Nghiên cứu bê tông chất lượng cao dùng muội silic và nano silic cho kết cấu cầu

Khám phá nghiên cứu về bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic, giải pháp tối ưu cho độ bền kết cấu cầu trong môi trường xâm thực.

• Tác giả: Lê Hồng Lam
• Người hướng dẫn: Pgs. Đào Duy Lâm
• Trường học: Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Đặc biệt
• Đề tài: Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Bê Tông Chất Lượng Cao Định Nghĩa và Tầm Quan Trọng

Bê tông chất lượng cao là vật liệu xây dựng hiện đại được thiết kế với các thành phần được lựa chọn kỹ lưỡng để đạt được hiệu suất vượt trội. Nghiên cứu từ Trường Đại học Giao thông Vận tải chỉ ra rằng bê tông muội silic và nano silic mang lại những cải tiến đáng kể trong cường độ, độ bền và khả năng chống xâm thực. Việc ứng dụng bê tông nano silic trong kết cấu công trình cầu đã chứng minh hiệu quả trong việc tăng tuổi thọ công trình. Các vật liệu pozzolan như muội silic giúp cải thiện tính chất cơ lý của bê tông thông qua phản ứng hydrat hóa, tạo nên nền tảng mạnh mẽ cho các công trình giao thông quan trọng.

1.1. Khái Niệm Bê Tông Cường Độ Cao

Bê tông cường độ cao được định nghĩa là bê tông có cường độ nén từ 65 MPa trở lên, vượt qua tiêu chuẩn bê tông thông thường. Sự kết hợp giữa muội silic và nano silic tạo ra cấu trúc microstructure dày đặc, giảm độ xốp và tăng khả năng chịu tải. Những nghiên cứu hiện đại chứng minh rằng bê tông nano có khả năng cải thiện độ thẩm thấu và tính chống ăn mòn vượt trội.

1.2. Vai Trò Của Muội Silic và Nano Silic

Muội silic (silica fume) là phụ gia pozzolan tự nhiên, giúp tăng cường độ nén và độ bền hóa học. Nano silic với kích thước hạt cực nhỏ đóng vai trò as nucleation site, tăng tốc độ hydrat hóa xi măng. Sự kết hợp hai thành phần này tạo ra bê tông chất lượng cao có khả năng chống ion clo và xâm thực hóa học vượt trội, đặc biệt phù hợp cho công trình cầu trong môi trường biển khắc nghiệt.

II. Ảnh Hưởng Của Nano Silic Đến Tính Chất Bê Tông

Nano silic là chất bổ sung có kích thước hạt khoảng 10-100 nm, mang lại những thay đổi cơ bản trong cơ cấu vi mô của bê tông. Nghiên cứu luận án tiến sĩ từ Đại học Giao thông Vận tải chỉ ra rằng việc sử dụng nano silic làm giảm độ xốp, cải thiện độ liên kết giữa xi măng và cốt liệu. Bê tông nano silic thể hiện cường độ nén cao hơn 15-25% so với bê tông thông thường ở cùng độ tuổi. Điều quan trọng là nano silic giúp giảm độ thấm ion clo, tăng khả năng bảo vệ cốt thép trong công trình cầu khi tiếp xúc với môi trường biển. Hàm lượng tối ưu nano silic từ 2-6% khối lượng xi măng cho kết quả tốt nhất.

2.1. Tính Năng Cơ Học Của Bê Tông Nano Silic

Cường độ nén của bê tông nano silic tăng đáng kể nhờ cấu trúc vi mô dày đặc. Thí nghiệm cho thấy bê tông muội silic-nano silic đạt cường độ 65 MPa trở lên ở 28 ngày tuổi. Độ kéo uốn cũng được cải thiện, giúp bê tông chống chịu tốt hơn trước các lực tác động. Mô đun đàn hồi tăng, cho phép công trình cầu có độ cứng vững cao hơn.

2.2. Độ Bền Và Khả Năng Chống Xâm Thực

Độ bền bê tông được đánh giá qua khả năng chống thấm ion clo và xâm nhập nước. Nano silic tạo lớp bảo vệ bên trong cấu trúc bê tông, giảm đường truyền ion clo lên đến 50-70%. Trong môi trường xâm thực, bê tông nano silic thể hiện hiệu suất vượt trội, kéo dài tuổi thọ công trình cầu từ 20-30 năm.

III. Thiết Kế Cấp Phối Bê Tông Chất Lượng Cao

Thiết kế cấp phối bê tông muội silic-nano silic tuân theo tiêu chuẩn ACI211 và các quy định kỹ thuật xây dựng hiện hành. Quá trình thiết kế cần xác định tỷ lệ nước/xi măng (N/CKD) tối ưu, thường từ 0,35-0,45 để đạt cường độ cao. Hàm lượng muội silic được khuyến cáo từ 10-15% khối lượng xi măng, kết hợp với nano silic 2-6%. Việc lựa chọn cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ và phụ gia hóa học cần cân bằng để đạt tính công tác tối ưu. Bê tông chất lượng cao được chế tạo theo quy hoạch thực nghiệm để xác định thành phần tối ưu, sau đó kiểm tra độ sụt, cường độ nén và độ thấm ion clo theo các phương pháp chuẩn.

3.1. Lựa Chọn Vật Liệu Thành Phần

Xi măng Portland được sử dụng làm liên kết chính. Muội silic cung cấp khả năng pozzolan, cải thiện cọng cấu vi mô. Nano silic với độ tinh khiết cao từ 95% trở lên là chất bổ sung cốt lõi. Cốt liệu lớn (đá dăm) và cốt liệu nhỏ (cát) cần đáp ứng tiêu chuẩn hạt độ. Phụ gia hóa học như chất dẻo hóa, chất giữ nước giúp cải thiện tính công tác và độ bền.

3.2. Quy Hoạch Thực Nghiệm Và Kiểm Tra

Quy hoạch thực nghiệm xác định mối tương quan giữa tỷ lệ N/CKD, hàm lượng nano silic với cường độ nén và độ thấm ion clo. Mẫu thử được chế tạo, bảo dưỡng trong điều kiện chuẩn 23°C, độ ẩm 95% trong 28 ngày. Kiểm tra cường độ chịu nén theo TCVN 3116, độ thấm ion clo bằng phương pháp thấm nhanh theo ASTM C1202 đánh giá hiệu quả của cấp phối.

IV. Ứng Dụng Bê Tông Chất Lượng Cao Trong Công Trình Cầu

Bê tông chất lượng cao với muội silic và nano silic là lựa chọn tối ưu cho kết cấu công trình cầu đặc biệt trong môi trường xâm thực biển. Các dầm, nhịp cầu chịu uốn được thiết kế sử dụng bê tông cường độ cao (65 MPa trở lên) để giảm kích thước tiết diện, giảm trọng lượng công trình. Nghiên cứu thí nghiệm dầm chịu uốn từ Đại học Giao thông Vận tải chứng minh rằng mô men tới hạn của dầm bê tông nano silic cao hơn 20-30% so với bê tông thông thường. Khả năng chống xâm thực ion clo của bê tông nano kéo dài tuổi thọ công trình, giảm chi phí bảo trì. Ứng dụng rộng rãi bê tông nano silic trong các công trình cầu hiện đại tại Việt Nam đã cho thấy hiệu quả kinh tế-kỹ thuật cao.

4.1. Thiết Kế Cấu Kiện Chịu Uốn

Dầm cầu chịu uốn được thiết kế theo tiêu chuẩn ACI318-14 với xét độ an toàn theo giới hạn trạng thái cuối cùng. Sử dụng bê tông cường độ cao cho phép giảm diện tích cốt thép cần thiết, tối ưu hóa kinh tế. Xác định mô men tới hạn dựa trên cường độ nén, tỷ lệ cốt thép, độ sâu vùng ép. Bê tông nano silic với cường độ cao đảm bảo an toàn kết cấu dài hạn.

4.2. Đánh Giá Độ Bền Và Tuổi Thọ

Độ bền công trình cầu được đánh giá dựa trên khả năng chống xâm thực hóa học, đặc biệt ion clo từ môi trường biển. Bê tông chất lượng cao có hệ số thấm ion clo thấp (<100 coulombs), bảo vệ cốt thép tốt. Tuổi thọ dự kiến 100+ năm với bảo trì tối thiểu. Thí nghiệm gia tốc xâm thực chứng minh bê tông nano silic vượt trội so với bê tông thông thường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu bê tông muội silic-nano silic Chương 2: Vật liệu và quy hoạch thực nghiệm bê tông chất lượng cao muội silic-nano silic Chương 3: Nghiên cứu kết cấu dầm chịu uốn sử dụng bê tông chất lượng cao muội silic-nano silic Chương 4: Ứng dụng bê tông chất lượng cao muội silic-nano silic Kết luận và kiến nghị 3 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG MUỘI SILIC-NANO SILIC 1. Tổng quan bê tông chất lượng cao sử dụng vật liệu Nano Bê tông xi măng là vật liệu xây dựng phổ biến nhất trên thế giới, là loại vật liệu có nhiều pha [99]. Bê tông bao gồm một pha hồ vô định hình, pha cốt liệu, vùng chuyển tiếp bề mặt và nước liên kết. Trong đó canxi silicat hydrat (Gel C-S-H) là pha vô định hình và có nhiệm vụ liên kết cấp phối với nhau.

Cấu trúc phân tử, độ dài liên kết, cường độ và mật độ của các liên kết hóa học hình thành trong quá trình hydrat hóa có thể được nghiên cứu bằng cách sử dụng công nghệ nano [89] [94]. Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) là một trong những loại bê tông hứa hẹn nhất đã được phát triển trong vài thập kỷ qua. Hiệu quả của UHPC đặc biệt phụ thuộc vào mật độ của hỗn hợp, điều này có thể được tối đa hóa bằng cách tối ưu hóa việc lèn chặt các hạt, do đó dẫn đến sự hợp nhất cao của vữa bê tông. Lèn chặt các hạt tối ưu có thể thu được thông qua việc phân bố cỡ hạt một cách hoàn hảo, bằng cách kết hợp đồng nhất các hạt thô và mịn trong hỗn hợp.

Trong thực tế, vật liệu nano có kích cỡ cực nhỏ có thể lấp đầy các khoảng trống giữa xi măng và muội silic dẫn đến mức lèn chặt cao hơn và tạo ra một hỗn hợp vữa kết dính chặt chẽ hơn, với nhiều canxi silicat hydrat (C-S-H) hơn. Điều này làm tăng đáng kể tính chất cơ học và độ bền của bê tông [46]. Công nghệ nano đem đến cơ hội phát triển chất lượng bê tông, điều này có thể đạt được khi ứng dụng những tiến bộ của công nghệ nano [99]. Sử dụng thiết bị hình ảnh và thiết bị đo lường đến kích cỡ nano để nghiên cứu cơ chế phát triển ở quy mô kích cỡ khác nhau từ nano đến macro của bê tông.

Sự cải thiện cấp độ nano của bê tông được thực hiện thông qua sự tích hợp của vật liệu nano dạng hạt hoặc ống nano vào trong bê tông giúp nâng cao nhiều tính năng của bê tông. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng có thể cải tiến các tính năng của bê tông thông qua sự tích hợp một vài vật liệu nano như nano silic, nano TiO2, nano Fe2O3, nano Al2O3, các lớp nano như ống nano Carbon (CNTs) với tỉ lệ phù hợp và phương pháp trộn để phân tán phù hợp với từng loại. Vật liệu nano đã được nghiên cứu làm phụ gia hoặc phụ gia bê tông, bao gồm nano- titan (nano-TiO2), nano-alumina (nano-Al2O3), nano- clay, nano-iron (nano-Fe2O3), nano- CaCO3 và nano silic (nano-SiO2). Nói chung, các hạt nano ảnh hưởng đến bê tông theo nhiều cách khác nhau, vì chúng hoạt động như chất chèn kích cỡ nano (làm tăng cấu trúc của các sản phẩm hydrat hóa và ITZ (interfacial transition zone)), các vị trí tạo mầm cho các sản phẩm hydrat hóa xi măng và các chất phản ứng mạnh trong quá trình hydrat hóa [99].

Nano-TiO2 đã được ứng dụng vào bê tông [63] để thúc đẩy các đặc tính tự làm sạch, vì TiO2 có thể kích hoạt ánh sáng tia cực tím và hoạt động như một chất xúc tác trong quá trình oxy hóa khác nhau của các chất gây ô nhiễm không khí. Cũng có một số nghiên cứu cho thấy rằng nano-TiO2 tăng cường độ tuổi muộn, cải thiện tính linh động và cường độ nén của bê tông. Nano-Al2O3 thêm vào bê tông để cải thiện mô đun đàn hồi và cường độ [54]. Nano- Fe2O3 được xác định có khả năng cải thiện cường độ của bê tông [73].

Khi so sánh với các vật liệu nano khác như CNT và nano TiO2, nano SiO2 là một vật 4 liệu pozzolanic. Phản ứng pozzolanic có thể làm tăng khả năng phát triển cường độ bê tông hơn các vật liệu nano không pozzolanic khác. Như vậy nano SiO2 cũng thuộc loại vật liệu tương tự và có một sự tương đồng với muội silic, khả năng áp dụng thực tế của việc sử dụng nano silic trong ngành công nghiệp xây dựng là cao hơn nhiều so với các vật liệu nano khác. Hình 1-1 cho thấy sự phân bố kích thước hạt trong bê tông thông thường so với bê tông HPC/HSC và bê tông có thành phần nano silic.

Kết quả bê tông HPC/HSC có sự cải tiến cấu trúc đá xi măng đã thủy hóa thông qua sự tích hợp muội silic và các vật liệu pozzolanic khác vào bê tông truyền thống, sự phân bố kích thước hạt của HPC/HSC từ kích thước cỡ milimét lên đến khoảng 100nm, có thể thấy rằng diện tích bề mặt các hạt nano silic rất cao, làm tăng phạm vi của sự phân bố kích thước hạt của bê tông. So sánh vật liệu khác nhau dựa trên kích thước của chúng Sobolev[110] Công nghệ nano có thể được áp dụng để cải thiện nhiều đặc tính của bê tông hơn. Bê tông nano được chế tạo từ xi măng pooclăng có phạm vi cỡ hạt từ vài nanomet đến tối đa khoảng 100 micromet, thành phần nano với ít nhất có một chiều kích thước nano. Kích thước hạt phải được giảm để có được xi măng pooclăng nano.

Hơn nữa, nếu những hạt nano xi măng này được xử lý bằng các ống nano và các hạt nano silic hoạt hóa, nó có thể phát triển cường độ, độ cứng và linh hoạt hơn trong việc cải tiến đặc tính của bê tông. Ngày nay có thể sản xuất số lượng lớn nhiều loại hạt nano với các vật liệu, kích cỡ hoặc hình dạng khác nhau. Do đó các hạt nano ngày càng tập trung vào việc sử dụng của vật liệu xây dựng, đặc biệt là những vật liệu có thành phần hóa học tương tự như các vật liệu đã được sử dụng trong xây dựng. Các hạt nano được làm từ SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2 hoặc ZrO2 đã được nghiên cứu [40], [63],[84],[85],[86].

Kỹ thuật Nano bao gồm các kỹ thuật sử dụng cấu trúc ở quy mô nanomet để phát triển vật liệu xi măng composit đa chức năng, với chất lượng cơ học cao và độ bền cao, có thể có nhiều tính chất mới lạ như: tự làm sạch, tự làm lành, tính dẻo dai, và khả năng tự kiểm soát các vết nứt [69]. 5 Mặc dù các vật liệu nano được liệt kê ở trên cho thấy các tác động tích cực khác nhau lên các tính chất của bê tông, vật liệu nano thường được nghiên cứu và sử dụng nhiều nhất trong bê tông là nano silic cũng là chủ đề chính của nhiều nghiên cứu hiện nay. Trong phần sau đây trình bày tính chất nano silic sử dụng trong bê tông. Ảnh hưởng nano silic đến tính chất bê tông Bổ sung nano silic vào bê tông làm tăng hoạt tính pozzolanic trong đó nhiều canxi silicat hydrat (C-S-H) được tạo ra bằng cách phản ứng với canxi hydroxit (CH) trong quá trình hydrat hóa.

Hoạt tính pozzolanic này tạo ra gel C-S-H có độ cứng cao sẽ làm cho vi cấu trúc ITZ đặc và đồng nhất hơn. Do đó, nó sẽ làm tăng cường độ và độ bền của bê tông [59],[76]. Hiện tượng này cải thiện cường độ và độ bền của vật liệu xi măng bằng cách giảm số lượng lỗ rỗng, kích thước lỗ rỗng mịn hơn phá vỡ các kết nối lỗ rỗng, và tăng cao độ cứng của pha C-S-H từ kết quả hydrat hóa [77]. Hơn nữa, các hạt nano tăng độ đặc của vật liệu xi măng như là chất độn chèn đầy các khoảng trống và lỗ rỗng, tạo điều kiện thủy hóa bằng cách tác động như những hạt nhân trung tâm, gel C-S-H tăng lên và đóng vai trò quan trọng trong việc làm chệch hướng và khóa chặt các vết nứt [59].

Trong trường hợp của bê tông thông thường có nano silic sẽ cải thiện vi cấu trúc của vùng bề mặt trong bê tông và vữa [76]. Nano silic trong bê tông hoặc vữa sẽ làm tăng mật độ, giảm độ xốp, và cải thiện mối liên kết giữa xi măng và cốt liệu[41],[66],[67],[115],[116],[117]. Nano silic có hiệu quả làm giảm lượng portlandit, dẫn đến cấu trúc vi mô dày đặc hơn của vùng chuyển tiếp bề mặt (ITZ) giữa cốt liệu và hồ xi măng [69]. Thêm nano silic vào bê tông, có thể có hai cơ chế phản ứng xảy ra trong quá trình hydrat hóa xi măng.

Hydrat hóa xi măng được đẩy nhanh bằng cách thêm nano silic. H2SiO2- 4 phản ứng với Ca 2+ sẵn có sẽ hình thành bổ sung canxi silicat hydrat (C-S-H), các hạt C-S- H này được lan truyền trong nước giữa các hạt xi măng và nó như hạt “mầm” làm cho sự hình thành pha C-S-H chặt hơn. Việc hình thành pha C-S-H không chỉ giới hạn trên bề mặt hạt như trong C3S tinh khiết mà nó còn diễn ra trong không gian lỗ rỗng. Sự hình thành số lượng lớn hạt C-S-H gây ra sự tăng tốc độ hydrat xi măng sớm [77].

Sơ đồ quá trình hydrat hóa xi măng nano silic Hơn nữa, phản ứng puzzolanic của nano silic với C-H được hình thành trong suốt quá trình hydrat hóa, tạo thêm C-S-H là thành phần chính làm tăng cường độ, mật độ và độ cứng xi măng. Đồng thời C-H là thành phần không đóng góp vào sự phát triển cường độ bê tông đã được triệt tiêu [77]. Sơ đồ quá trình Pozzolanic 1. Tính năng cơ học của bê tông Nano silic thêm vào xi măng hoạt động như hạt nhân của phản ứng, trong đó C-S-H phát triển trên hạt nhân đó.

Trong khi gel C-S-H quyết định cho cường độ của bê tông còn canxi hydroxit (CH) gây ra nhiều bất lợi cho các đặc tính của bê tông. Nano silic thêm vào bê tông sẽ phản ứng với canxi hydroxit (CH) tạo ra thêm gel C-S-H, do đó nó cải thiện cường độ của bê tông [47], [60]. Bằng cách thêm nano silic vào cấp phối bê tông sẽ tăng nhanh thời gian đông cứng và cường độ nén của bê tông. Li và cộng sự [48], [49] đã chứng minh hiệu quả của việc bổ sung nano silic trong bê tông tro bay khối lớn và kết quả được so sánh với bê tông chuẩn.