Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia nona cacbon đến độ bền mỏi và độ kháng nứt của mặt đường bê tông nhựa luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Nghiên cứu tác động của phụ gia nona cacbon lên độ bền mỏi và khả năng chống nứt mặt đường bê tông nhựa, ứng dụng trong xây dựng đường ô tô và đô thị.

• Tác giả: Nguyễn Viết Vượng
• Người hướng dẫn: PGS-TS Lê Văn Bách
• Trường học: Học viện Kỹ thuật Quân sự
• Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia Nano Carbon đến độ bền mỏi và độ kháng nứt của mặt đường bê tông nhựa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. PHẦN MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ NANO CARBON VÀ BÊ TÔNG NHỰA
• 1.1.1. Tổng quan về công nghệ Nano
• 1.1.2. Lịch sử ra đời của công nghệ Nano và vật liệu Carbon Nanotubes
• 1.1.2.1. Lịch sử ra đời của công nghệ Nano
• 1.1.2.2. Lịch sử ra đời của vật liệu Carbon Nanotubes
• 1.1.3. Ứng dụng của công nghệ Nano
• 1.1.4. Tổng quan về bê tông nhựa
• 1.1.4.1. Phân loại và đặc tính
• 1.1.4.2. Cấu trúc bê tông nhựa
• 1.1.5. Yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật
• 1.1.6. Yêu cầu về cấp phối
• 1.1.7. Vật liệu chế tạo bê tông nhựa
• 1.1.7.1. Cốt liệu lớn
• 1.1.7.2. Cốt liệu nhỏ
• 1.1.7.3. Bột khoáng
• 1.1.8. Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa
• 1.1.9. Tình hình sử dụng vật liệu bê tông nhựa hiện nay
• 1.1.10. Tính khả thi khi sử dụng vật liệu Nano Carbon làm phụ gia cho bê tông nhựa nhằm cải thiện độ kháng nứt và độ ổn định Marshall
• 1.1.11. Cấu trúc của hỗn hợp vật liệu khoáng trong bê tông nhựa
• 1.1.12. Cấu trúc của Bitum trong bê tông nhựa
• 1.1.13. Vai trò của bột khoáng
• 1.1.14. Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu, phát triển vật liệu Nano Carbon làm phụ gia cho bê tông nhựa
• 1.2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.2.1. Cơ sở khoa học sử dụng phụ gia Nano Carbon vào bê tông nhựa để ứng dụng vào mặt đường ô tô
• 1.2.2. Một số phương pháp nghiên cứu điều chế vật liệu Carbon Nanotubes
• 1.2.2.1. Phương pháp hồ quang điện
• 1.2.2.2. Phương pháp bốc bay Laser
• 1.2.2.3. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (phương pháp CVD nhiệt)
• 1.2.3. Một số tính chất và ứng dụng của vật liệu Carbon Nanotubes
• 1.2.3.1. Tính chất của vật liệu Carbon Nanotubes
• 1.2.3.2. Ứng dụng của vật liệu Carbon Nanotubes
• 1.2.4. Đánh giá kết quả các phương pháp tổng hợp vật liệu CNTs
• 1.2.5. Các tồn tại, hạn chế đề tài chưa đề cập tới
• 1.3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA NANO CARBON ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CỦA BÊ TÔNG NHỰA
• 1.3.1. Kiểm tra đánh giá vật liệu đầu vào
• 1.3.1.1. Bột khoáng
• 1.3.1.2. Vật liệu Carbon Nanotubes (CNTs)
• 1.3.2. Nghiên cứu, tính toán thiết kế thành phần hỗn hợp BTNC 12,5
• 1.3.2.1. Tính tỷ lệ phối trộn cốt liệu của hỗn hợp bê tông nhựa
• 1.3.2.2. Chế tạo mẫu Marshall
• 1.3.2.3. Chuẩn bị vật liệu
• 1.3.2.4. Mẫu chế bị
• 1.3.2.5. Tiến hành thí nghiệm theo phương pháp Marshall
• 1.3.2.5.1. Kiểm tra độ ổn định và xác định hàm lượng nhựa tối ưu
• 1.3.2.5.2. Độ ổn định Marshall
• 1.3.2.5.3. Xác định hàm lượng nhựa tối ưu
• 1.3.2.6. Chế bị mẫu nhựa trộn với phụ gia CNTs
• 1.3.2.7. Mẫu thí nghiệm độ kháng nứt (SCB)
• 1.3.2.8. Mẫu thí nghiệm độ dẻo, độ ổn định Marshall
• 1.3.2.9. Thí nghiệm độ ổn định và độ dẻo Marshall
• 1.3.2.9.1. Mô tả thí nghiệm
• 1.3.2.9.2. Kết quả thí nghiệm
• 1.3.2.9.3. Tổng hợp kết quả thí nghiệm
• 1.3.2.10. Thí nghiệm khả năng kháng nứt (SCB)
• 1.3.2.10.1. Mô tả thí nghiệm
• 1.3.2.10.2. Kết quả thí nghiệm
• 1.3.2.10.3. Tổng hợp kết quả thí nghiệm
• 1.3.2.11. Đánh giá kết quả thí nghiệm
• 1.3.2.11.1. Đối với mẫu Marshall
• 1.3.2.11.2. Đối với mẫu SCB
• 2. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Tóm tắt

I. Tổng quan về phụ gia nona cacbon và bê tông nhựa

Phụ gia nona cacbon (CNTs) là một trong những vật liệu tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực vật liệu xây dựng. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng CNTs như một phụ gia cải thiện tính chất của bê tông nhựa (BTN). CNTs có khả năng tăng cường độ bền mỏi và kháng nứt của mặt đường, giúp kéo dài tuổi thọ và nâng cao chất lượng mặt đường. Việc ứng dụng CNTs trong BTN không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của kỹ thuật giao thông.

1.1. Lịch sử và ứng dụng của phụ gia nona cacbon

Phụ gia nona cacbon được phát hiện vào năm 1991 bởi Iijima, mở ra một kỷ nguyên mới trong công nghệ vật liệu. CNTs có cấu trúc đặc biệt với độ bền cơ học cao và khả năng dẫn điện tốt. Trong lĩnh vực vật liệu xây dựng, CNTs được sử dụng để cải thiện độ bền kết cấu và khả năng chịu lực của BTN. Nghiên cứu này nhấn mạnh vai trò của CNTs trong việc tăng cường độ bền mỏi và kháng nứt, giúp mặt đường chịu được tải trọng lớn và điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

1.2. Tổng quan về bê tông nhựa

Bê tông nhựa là vật liệu chính trong kỹ thuật đường bộ, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng mặt đường. BTN bao gồm các thành phần như cốt liệu, bột khoáng và bitum. Tuy nhiên, mặt đường BTN thường gặp các vấn đề như nứt và mỏi do tải trọng và thời tiết. Việc sử dụng phụ gia nona cacbon trong BTN nhằm cải thiện độ bền cơ học và khả năng chịu lực, giúp tăng tuổi thọ và hiệu quả sử dụng của mặt đường.

II. Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này dựa trên cơ sở khoa học về tính chất của phụ gia nona cacbon và bê tông nhựa. Các phương pháp nghiên cứu bao gồm thí nghiệm trong phòng và đánh giá kết quả. Phụ gia nona cacbon được trộn vào BTN với các tỷ lệ khác nhau để kiểm tra độ bền mỏi và kháng nứt. Kết quả nghiên cứu sẽ đánh giá hiệu quả của CNTs trong việc cải thiện tính chất cơ học của BTN.

2.1. Phương pháp điều chế phụ gia nona cacbon

Các phương pháp điều chế phụ gia nona cacbon bao gồm phương pháp hồ quang điện, phương pháp bốc bay laser và phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD). Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, nhưng đều hướng đến mục tiêu tạo ra CNTs có chất lượng cao và đồng nhất. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp CVD để điều chế CNTs, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả khi trộn vào BTN.

2.2. Thí nghiệm và đánh giá kết quả

Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá độ bền mỏi và kháng nứt của BTN khi sử dụng phụ gia nona cacbon. Mẫu BTN được chế tạo với các tỷ lệ CNTs khác nhau và tiến hành thí nghiệm Marshall và SCB (Semi Circular Bend Test). Kết quả thí nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ bền cơ học và khả năng chịu lực của BTN khi sử dụng CNTs.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chứng minh rằng phụ gia nona cacbon có ảnh hưởng tích cực đến độ bền mỏi và kháng nứt của bê tông nhựa. Việc sử dụng CNTs giúp tăng cường tính chất cơ học của BTN, kéo dài tuổi thọ mặt đường và giảm chi phí bảo trì. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ vật liệu tiên tiến vào kỹ thuật xây dựng đường bộ.

3.1. Đánh giá hiệu quả của phụ gia nona cacbon

Kết quả thí nghiệm cho thấy, BTN sử dụng phụ gia nona cacbon có độ bền mỏi và kháng nứt cao hơn so với BTN truyền thống. Đặc biệt, tỷ lệ CNTs 0,15% cho kết quả tốt nhất về độ ổn định và khả năng chịu lực. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng của CNTs trong việc cải thiện chất lượng mặt đường.

3.2. Ứng dụng thực tiễn trong kỹ thuật xây dựng

Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc sử dụng phụ gia nona cacbon để cải thiện độ bền kết cấu và khả năng chịu lực của bê tông nhựa. Việc ứng dụng CNTs không chỉ nâng cao chất lượng mặt đường mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của kỹ thuật giao thông. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng rộng rãi trong các dự án xây dựng đường bộ tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bê tông nhựa (BTN) là vật liệu chủ đạo trong kết cấu mặt đường mềm, được sử dụng rộng rãi trên các tuyến đường ô tô, đường đô thị, sân bay và các công trình giao thông khác. Tại Việt Nam, nhiều tuyến đường BTN sau một thời gian khai thác đã xuất hiện các hiện tượng hư hỏng như rạn nứt, bong bật và hằn lún vệt bánh xe, ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ và hiệu quả khai thác. Theo báo cáo của ngành, việc cải thiện tính bền vững và độ kháng nứt của BTN là một trong những thách thức kỹ thuật cấp thiết hiện nay.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia Nano Carbon, cụ thể là vật liệu Carbon Nanotubes (CNTs), đến các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của mặt đường bê tông nhựa chặt (BTNC) loại 12,5. Mục tiêu chính là đánh giá sự thay đổi về độ ổn định Marshall, độ dẻo và khả năng kháng nứt của BTN khi bổ sung CNTs với các hàm lượng khác nhau (0%, 0,05%, 0,1%, 0,15% theo khối lượng nhựa). Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm với các mẫu đúc theo tiêu chuẩn TCVN 8819:2011, nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng phụ gia Nano Carbon trong xây dựng mặt đường ô tô tại Việt Nam.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao chất lượng BTN, kéo dài tuổi thọ mặt đường, giảm chi phí bảo trì và tăng hiệu quả khai thác mạng lưới giao thông. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần mở rộng ứng dụng công nghệ Nano trong ngành xây dựng giao thông, một lĩnh vực còn khá mới mẻ tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

1. Công nghệ Nano và vật liệu Carbon Nanotubes (CNTs): CNTs là ống Nano Carbon có cấu trúc dạng ống cuộn từ lớp Graphene, gồm ống đơn tường (SWCNT) và đa tường (MWCNT). CNTs có tính chất cơ học vượt trội với suất Young gấp 6 lần và độ bền kéo gấp 375 lần thép, đồng thời nhẹ hơn nhiều. Tính chất điện, nhiệt và hóa học đặc biệt của CNTs giúp chúng trở thành vật liệu gia cường hiệu quả trong các composite, bao gồm cả vật liệu xây dựng như bê tông nhựa.

2. Cấu trúc và tính chất của bê tông nhựa (BTN): BTN là hỗn hợp gồm cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, bột khoáng và nhựa đường (Bitum). Cấu trúc BTN gồm ba cấp độ: tế vi (bột khoáng và nhựa), trung gian (nhựa và cát), và vĩ mô (vữa nhựa và đá dăm). Độ ổn định, độ dẻo và khả năng kháng nứt của BTN phụ thuộc vào sự phối hợp các thành phần này, đặc biệt là tính liên kết giữa Bitum và cốt liệu. Việc bổ sung phụ gia CNTs nhằm cải thiện các tính chất này dựa trên khả năng gia cường và tăng cường liên kết của CNTs trong hỗn hợp.

Các khái niệm chính bao gồm: độ ổn định Marshall, độ dẻo Marshall, thí nghiệm uốn mẫu bán nguyệt (SCB) để đánh giá độ kháng nứt, và các chỉ tiêu kỹ thuật theo TCVN 8819:2011.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với quy trình cụ thể:

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu đầu vào gồm đá dăm, cát, bột khoáng và nhựa đường 60/70 được lấy từ các mỏ và nhà cung cấp tại Bình Dương, đảm bảo đạt các chỉ tiêu kỹ thuật theo TCVN 8819:2011. Phụ gia CNTs được pha chế với nhựa đường theo các tỷ lệ 0%, 0,05%, 0,1%, 0,15% theo khối lượng nhựa.

• Phương pháp phân tích: Thiết kế hỗn hợp BTNC 12,5 theo phương pháp Marshall, đúc mẫu hình trụ đường kính 101,6 mm, chiều cao 63,5 mm. Thí nghiệm đánh giá độ ổn định và độ dẻo Marshall, thí nghiệm SCB để đo khả năng kháng nứt. Mức độ phân tán CNTs trong nhựa được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài 6 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị vật liệu, thiết kế và chế tạo mẫu, tiến hành thí nghiệm, thu thập và phân tích dữ liệu.

Cỡ mẫu gồm 5 tổ mẫu với các hàm lượng CNTs khác nhau, mỗi tổ mẫu được thử nghiệm nhiều lần để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của CNTs đến độ ổn định Marshall: Kết quả thí nghiệm cho thấy khi bổ sung CNTs với hàm lượng 0,1% theo khối lượng nhựa, độ ổn định Marshall tăng lên khoảng 15% so với mẫu đối chứng không có CNTs. Ở hàm lượng 0,15%, độ ổn định có xu hướng giảm nhẹ, cho thấy có ngưỡng tối ưu cho việc bổ sung CNTs.

2. Độ dẻo Marshall: Mẫu BTN có phụ gia CNTs thể hiện độ dẻo trong khoảng 2,5 - 3,8 mm, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật (2-4 mm). Độ dẻo tăng nhẹ khi hàm lượng CNTs tăng từ 0% đến 0,1%, giúp hỗn hợp có khả năng chịu biến dạng tốt hơn.

3. Khả năng kháng nứt (thí nghiệm SCB): Mẫu BTN có CNTs đạt năng lượng biến dạng cao hơn từ 20% đến 30% so với mẫu không có CNTs, đặc biệt ở hàm lượng 0,1%. Điều này chứng tỏ CNTs cải thiện đáng kể khả năng kháng nứt mỏi của mặt đường.

4. Phân tán CNTs trong nhựa: Quan sát SEM cho thấy CNTs được phân tán đều trong nhựa đường ở các tỷ lệ 0,05% và 0,1%, trong khi ở 0,15% xuất hiện hiện tượng kết tụ nhẹ, có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ học.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật là do CNTs có khả năng gia cường cấu trúc BTN, tăng cường liên kết giữa nhựa đường và cốt liệu, đồng thời làm tăng độ nhớt và tính ổn định nhiệt của nhựa. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng CNTs trong vật liệu composite và nhựa đường.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hàm lượng CNTs tối ưu khoảng 0,1% là phù hợp với điều kiện vật liệu và khí hậu Việt Nam, giúp BTN đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo. Việc bổ sung CNTs vượt quá ngưỡng này có thể gây hiện tượng kết tụ, làm giảm hiệu quả gia cường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ ổn định Marshall và năng lượng biến dạng SCB giữa các mẫu với hàm lượng CNTs khác nhau, giúp minh họa rõ ràng xu hướng cải thiện tính chất vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng hàm lượng CNTs 0,1% trong thiết kế BTNC 12,5: Để tối ưu hóa độ ổn định và khả năng kháng nứt, các dự án xây dựng mặt đường nên bổ sung CNTs với tỷ lệ này trong hỗn hợp BTN. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án cải tạo và xây mới trong 1-2 năm tới.

2. Nâng cao công nghệ phân tán CNTs: Sử dụng thiết bị khuấy siêu âm hoặc phương pháp phân tán tiên tiến để đảm bảo CNTs phân bố đều trong nhựa đường, tránh hiện tượng kết tụ làm giảm hiệu quả. Chủ thể thực hiện: các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng.

3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư, cán bộ kỹ thuật về công nghệ Nano và ứng dụng CNTs trong BTN nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng thi công. Thời gian: trong vòng 6 tháng đến 1 năm.

4. Nghiên cứu mở rộng và đánh giá thực tế: Thực hiện các đề tài nghiên cứu tiếp theo để đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật khi ứng dụng CNTs trong điều kiện thi công thực tế, đồng thời khảo sát tuổi thọ mặt đường sau khi sử dụng phụ gia Nano Carbon. Chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu giao thông: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để lựa chọn vật liệu và thiết kế hỗn hợp BTN có tính năng cải tiến, giúp nâng cao chất lượng mặt đường.

2. Nhà sản xuất vật liệu xây dựng: Thông tin về tỷ lệ phối trộn CNTs và phương pháp phân tán giúp cải tiến quy trình sản xuất nhựa đường và BTN, tạo ra sản phẩm có hiệu suất cao hơn.

3. Chuyên gia quản lý dự án giao thông: Hiểu rõ về tác động của phụ gia Nano Carbon đến tuổi thọ và chi phí bảo trì mặt đường, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư hợp lý.

4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng công nghệ Nano trong vật liệu xây dựng, cung cấp kiến thức nền tảng và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Phụ gia Nano Carbon là gì và tại sao lại sử dụng trong bê tông nhựa?
   Phụ gia Nano Carbon, đặc biệt là Carbon Nanotubes (CNTs), là vật liệu có kích thước nanomet với tính chất cơ học và hóa học ưu việt. Khi bổ sung vào bê tông nhựa, CNTs giúp tăng cường độ bền, khả năng kháng nứt và ổn định nhiệt, cải thiện tuổi thọ mặt đường.

2. Hàm lượng CNTs tối ưu để cải thiện tính chất BTN là bao nhiêu?
   Nghiên cứu cho thấy hàm lượng CNTs khoảng 0,1% theo khối lượng nhựa là tối ưu, giúp tăng độ ổn định Marshall khoảng 15% và năng lượng biến dạng SCB tăng 20-30% so với mẫu không có CNTs.

3. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá khả năng kháng nứt của BTN?
   Thí nghiệm uốn mẫu bán nguyệt (SCB) theo tiêu chuẩn ASTM D8044-16 được sử dụng để đánh giá khả năng kháng nứt mỏi của BTN, đo năng lượng biến dạng và chiều sâu rãnh xẻ trên mẫu thử.

4. Có những khó khăn gì khi ứng dụng CNTs trong sản xuất BTN?
   Khó khăn chính là việc phân tán đều CNTs trong nhựa đường để tránh kết tụ, ảnh hưởng đến tính chất vật liệu. Ngoài ra, chi phí và công nghệ sản xuất CNTs cũng là thách thức cần giải quyết.

5. Ứng dụng của nghiên cứu này trong thực tế xây dựng mặt đường như thế nào?
   Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở để các nhà sản xuất và thi công áp dụng phụ gia CNTs trong hỗn hợp BTN, nâng cao chất lượng mặt đường, giảm hư hỏng và chi phí bảo trì, đặc biệt phù hợp với điều kiện khí hậu và giao thông tại Việt Nam.

Kết luận

• Phụ gia Nano Carbon (CNTs) khi bổ sung vào BTNC 12,5 với hàm lượng 0,1% giúp tăng đáng kể độ ổn định Marshall và khả năng kháng nứt của mặt đường.
• Độ dẻo Marshall của hỗn hợp cũng được cải thiện, đảm bảo tính linh hoạt và chịu biến dạng của BTN.
• Phân tán CNTs đồng đều trong nhựa đường là yếu tố then chốt để phát huy hiệu quả gia cường.
• Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng công nghệ Nano trong xây dựng giao thông tại Việt Nam, góp phần nâng cao chất lượng và tuổi thọ mặt đường.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu thực tế, đánh giá kinh tế và chuyển giao công nghệ cho ngành xây dựng.

Luận văn khuyến nghị các nhà quản lý, kỹ sư và nhà sản xuất vật liệu xây dựng cân nhắc áp dụng phụ gia Nano Carbon trong các dự án mặt đường mới và cải tạo nhằm nâng cao hiệu quả khai thác và bền vững công trình giao thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NANO CARBON VÀ BÊ TÔNG NHỰA Giới thiệu chung về công nghệ Nano, lịch sử ra đời công nghệ Nano và vật liệu CTNs. Giới thiệu về BTN, yêu cầu kỹ thuật, tính khả thi khi sử dụng vật liệu CTNs làm phụ gia cho BTN. Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết về vật liệu CNTs, các phương pháp điều chế vật liệu CNTs, các tính chất và ứng dụng của vật liệu CNTs trong các ngành công nghiệp. Cơ sở khoa học để trộn phụ gia CNTs vào bê tông nhựa.

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng, kiểm tra các cốt liệu đầu vào, tiến hành đúc mẫu Marshall với các tỷ lệ phần trăm phụ gia Nano Carbon khác nhau theo khối lượng nhựa, thí nghiệm và phân tích, đánh giá các kết quả đã đạt được. TỔNG QUAN VỀ NANO CARBON VÀ BÊ TÔNG NHỰA 1. Tổng quan về công nghệ Nano Khái niệm về “công nghệ Nano” phụ thuộc vào lĩnh vực mà nó được nói đến. Về cơ bản, nó được định nghĩa là sự kiểm soát và tái cấu trúc của vật chất theo thứ tự nanomet để tạo ra vật liệu có tính cơ bản và thuộc tính mới.

Công nghệ Nano cho phép vật liệu Nano “giao dịch” với kích thước hạt ở qui mô nanomet. Khoa học Nano và công nghệ Nano nghiên cứu và ứng dụng những thứ cực kỳ nhỏ bé và có thể được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực khoa học như hóa học, sinh học, vật lý, khoa học vật liệu và kỹ thuật. Lịch sử ra đời của công nghệ Nano và vật liệu Carbon Nanotubes 1. Lịch sử ra đời của công nghệ Nano Các ý tưởng và khái niệm về khoa học Nano và công nghệ Nano bắt đầu bằng một bài nói chuyện của nhà vật lý Richard Feynman trong một cuộc họp của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ tại Học viện Công nghệ California (CalTech) vào ngày 29 tháng 12 năm 1959, rất lâu trước khi thuật ngữ Nanotechnology được sử dụng.

Trong bài phát biểu của mình, Feynman mô tả một quy trình trong đó các nhà khoa học có thể thao tác và kiểm soát các nguyên tử và phân tử riêng lẻ. Hơn một thập kỷ sau, khi khám phá ra công nghệ gia công siêu chính xác, giáo sư Norio Taniguchi đặt ra thuật ngữ công nghệ Nano (Nanotechnology). Đến năm 1981, với sự phát triển của kính hiển vi quét xuyên hầm (Scanning Tunneling Microscope) có thể nhìn thấy các nguyên tử riêng biệt, công nghệ Nano hiện đại bắt đầu phát triển [4]. Thật khó tưởng tượng công nghệ Nano nhỏ như thế nào.

Một nanomet là một phần tỷ của một mét, hoặc 10-9 của một mét. Dưới đây là một vài ví dụ minh hoạ: - Có 25.000 nanomet trên một inch. - Một tờ báo có độ dày khoảng 100. - Nếu một viên bi là một nanomet, thì một mét sẽ là kích thước của Trái Đất.

Khoa học Nano và công nghệ Nano liên quan đến khả năng nhìn thấy và kiểm soát các nguyên tử và phân tử riêng lẻ. Mọi thứ trên Trái Đất đều gồm các nguyên tử, như thức ăn chúng ta ăn, quần áo chúng ta mặc, tòa nhà và nhà chúng ta đang sống và 4 thậm chí cả cơ thể chúng ta v.v… Mặc dù khoa học Nano và công nghệ Nano hiện đại vẫn còn khá mới, các vật liệu Nano đã được sử dụng từ nhiều thế kỷ trước. Các hạt vàng và bạc kích thước siêu nhỏ đã tạo ra màu sắc trong các cửa sổ tranh kính màu của các nhà thờ thời trung cổ cách đây hàng trăm năm. Chỉ có điều các nghệ sĩ khi đó không biết rằng quá trình họ sử dụng để tạo ra những tác phẩm nghệ thuật tuyệt vời này thực sự dẫn đến sự thay đổi trong thành phần cấu trúc của các vật liệu.

Các nhà khoa học và kỹ sư ngày nay đang tìm kiếm nhiều cách khác nhau để tạo ra các vật liệu ở kích thước nanomet nhằm tận dụng các đặc tính đã được cải tiến của chúng như độ cứng cao hơn, trọng lượng nhẹ, tăng kiểm soát quang phổ ánh sáng và phản ứng hoá học lớn hơn so với các chất tương ứng. Mặc dù nanomet đã rất nhỏ, nhưng nó vẫn lớn rất nhiều so với nguyên tử. Một nguyên tử có đường kính khoảng 0,1 nm. Hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn nhiều - khoảng 0,00001 nm.

Các nguyên tử là những khối vật liệu xây dựng cho tất cả mọi dạng vật chất trong vũ trụ của chúng ta. Ví dụ, cơ thể chúng ta được tập hợp từ hàng triệu tế bào sống. Các tế bào là máy Nano của thiên nhiên. Ở quy mô nguyên tử, các yếu tố ở mức cơ bản nhất.

Ở quy mô Nano, chúng ta có thể đặt các nguyên tử này lại với nhau để tạo ra hầu hết mọi thứ. Lịch sử ra đời của vật liệu Carbon Nanotubes Cho đến trước năm 1985 người ta vẫn cho rằng Carbon chỉ tồn tại ở ba dạng thù hình: - Dạng thù hình thứ nhất của Carbon cũng là dạng phổ biến nhất thường gọi là than, có màu đen như là cây, gỗ cháy còn lại. Về mặt cấu trúc, đó là dạng vô định hình. - Dạng thù hình thứ hai của Carbon hay gặp trong kỹ thuật, đó là Graphit (than chì).

Cấu trúc Graphit gồm nhiều lớp Graphen song song với nhau và sắp xếp thành mạng lục giác phẳng (Hình 1. - Dạng thù hình thứ ba của Carbon là kim cương. Trong tinh thể kim cương, mỗi nguyên tử Carbon nằm ở tâm của hình tứ diện và liên kết với bốn nguyên tử Carbon cùng loại (Hình 1. 1 – Cấu trúc Graphit [5, Tr.

2 – Cấu trúc kim cương [5, Tr.3] Đến năm 1985, trong khi nghiên cứu về Carbon, Kroto và các đồng nghiệp đã khám phá ra một tập hợp lớn các nguyên tử Carbon kết tinh dưới dạng phân tử có dạng hình cầu kích thước cỡ nanomet, dạng thù hình này của Carbon được gọi là Fullerenes. Fullerenes là một lồng phân tử khép kín với các nguyên tử Carbon sắp xếp thành một mặt cầu hoặc mặt Elip. Fullerenes được biết đến đầu tiên là C60, có dạng hình cầu gồm 60 nguyên tử Carbon nằm ở đỉnh của khối 32 mặt tạo bởi 12 ngũ giác đều và 20 lục giác đều (Hình 1. Năm 1990, Kratschmer đã tìm thấy trong sản phẩm muội than tạo ra do sự phóng điện hồ quang giữa 2 điện cực Graphite có chứa C60 và các dạng Fullerenes khác như C70, C80 (Hình 1.

3 – Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes: a) C60, b) C70, c) C80 [5, Tr.3] Năm 1991, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HRTEM) trên sản phẩm tạo ra do phóng điện hồ quang giữa hai điện cực Graphit, Iijima đã phát hiện ra các tinh thể cực nhỏ, dài bám ở điện cực ca-tốt. Đó là ống Nano Carbon đa tường (MWCNT - Multi Wall Carbon Nanotube, Hình 1. Hai năm sau, 6 Iijima tiếp tục công bố kết quả tổng hợp ống Nano Carbon đơn tường (SWCNT - Single Wall Carbon Nanotube, Hình 1.4a), đó là các ống rỗng có đường kính từ 1-3 nanomet (nm) và chiều dài cỡ vài micromet (µm). Vỏ của ống gồm có các nguyên tử Carbon xếp đều đặn ở đỉnh của các hình lục giác đều.

a) Đơn tường b) Đa tường c) Bó ống đơn tường Hình 1. 4 – Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNT; b) MWCNT; c) bó SWCNTs [5, Tr.4] Ống Nano Carbon đơn tường có cấu trúc giống như là sự cuộn lại của một lớp than chì, độ dày một nguyên tử (còn gọi là Graphene) thành một hình trụ liền và được khép kín ở mỗi đầu bằng một nửa phân tử Fullerenes. Do đó CNTs còn được biết đến như là Fullerenes có dạng hình ống gồm các nguyên tử Carbon liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị SP2 bền vững. Ống Nano Carbon đa tường gồm nhiều ống đơn tường đường kính khác nhau, lồng vào nhau và đồng trục, khoảng cách giữa các lớp từ 0,34 nm đến 0,39 nm.

Ngoài ra, SWCNT thường tự liên kết với nhau để tạo thành từng bó xếp chặt (được gọi là SWCNTs Ropes - Hình 1.4c) và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng là 1,7 nm. Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNT nằm song song với nhau và chiều dài có thể lên đến vài mm. Phát hiện mới về ống Nano Carbon cũng như những tính chất đặc biệt của nó đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Sự góp mặt của CNTs đánh dấu sự ra đời của ngành khoa học vật liệu mới: các vật liệu dựa trên cơ sở Nano Carbon - vật liệu mới cho tương lai [5, tr.

Ứng dụng của công nghệ Nano. Công nghệ Nano hiện nay đã tác động đến các lĩnh vực khác nhau bao gồm y tế, ô tô, điện tử, viễn thông, quân sự, dệt may, công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghiệp bao bì, công nghiệp thực phẩm v.v… Khoa học Nano và công nghệ Nano đã mở ra một loạt các nghiên cứu sáng tạo, ví dụ như áo chống đạn, thu nhỏ kích thước máy bay, hệ thống tự phục hồi, vật liệu hiệu suất cao trong điều kiện áp suất và nhiệt độ khắc nghiệt, động cơ Nano, vật liệu tổng hợp xương nhân tạo, cấy ghép tế bào, pin năng lượng mặt trời hiệu suất cao, khả năng chống rách của vải và vật liệu tự làm sạch. Nếu sắp xếp đúng các nguyên tử, có thể tạo ra một ống Nano Carbon có độ bền cao gấp hàng trăm lần so với thép, nhưng nhẹ hơn sáu lần. Các kỹ sư muốn chế tạo vật liệu xây dựng từ ống Nano Carbon, nhất là các vật liệu cho những thứ như ô tô và máy bay.

Nếu các phương tiện này nhẹ hơn có nghĩa là hiệu suất nhiên liệu tốt hơn, và độ bền gia tăng cũng sẽ giúp tăng tính an toàn cho hành khách [4]. Các ống Nano Carbon còn được sử dụng làm chất bán dẫn hiệu quả. Các nhà khoa học vẫn đang tìm cách dùng ống Nano Carbon để chế tạo bóng bán dẫn (transitor) trong bộ vi xử lý và các sản phẩm điện tử khác. Ứng dụng công nghệ Nano đã bao phủ toàn bộ toàn bộ các ngành khoa học, đưa thế giới tiến lên một nấc thang mới trong mọi lĩnh vực.

Công nghệ Nano được gọi là cuộc cách mạng công nghiệp tiếp theo, là một công nghệ then chốt của thế kỷ 21, sẽ cho phép sản xuất nhiều sản phẩm chất lượng cao với chi phí rất thấp.