Đặt vấn đề Sự phát triển nhanh chóng cơ sở hạ tầng, các công trình đường giao thông cấp cao, nhu cầu phát triển bê tông cường độ cao (HSC), độ bền cao, và thân thiện với môi trường trở nên cấp thiết. Nano SiO2 (NS) nổi tiếng với nhiều ứng dụng trong hai thập kỷ qua, bao gồm làm vật liệu xúc tác, vật liệu điện môi, chất hấp phụ khí, hấp phụ ion kim loại nặng và chất mang vô cơ (Chen, J. Bên cạnh đó, người ta cũng lưu ý rằng hầu hết các vật liệu NS được sử dụng trong công trình xây dựng đều được cung cấp bởi các công ty thương mại, chủ yếu từ Trung Quốc và các nước Châu Âu (Wu, L et al, 2019) NS được sản xuất trong nhà máy, các phẩm chất chính của NS thương mại là độ tinh khiết cao và tính đồng nhất; tuy nhiên, nó đắt tiền và gây khó khăn trong việc sử dụng rộng rãi trong xây dựng. Do đó, xu hướng tìm kiếm nguồn nguyên liệu sẵn có, chi phí thấp, giàu silic để sử dụng làm chất phụ gia cụ thể đang được xem xét và thu hút sự chú ý của các nhà khoa học và các cấp chính quyền.
Giảm lượng khí thải carbon và thúc đẩy tính trung lập của carbon là những biện pháp chính được các cơ quan chức năng trên thế giới thực hiện để ứng phó với những thay đổi của môi trường (Rivera, R. Sản xuất xi măng là nguồn chính tạo ra carbon dioxide; do đó, sử dụng vật liệu bổ sung xi măng như xỉ hạt lò cao và tro bay (FA) thay thế cho xi măng để chế tạo bê tông là một cách hiệu quả để giảm lượng khí thải carbon (Sanjuán, M. et al, 2020; Jalal, M. Li và các cộng sự đã nghiên cứu độ bền của bê tông đường hiệu suất cao kết hợp FA, họ phát hiện ra rằng việc sử dụng FA làm chất thay thế xi măng có thể cải thiện đáng kể khả năng chống thấm của bê tông (Li, Y.
Bê tông đã trở thành vật liệu xây dựng được sử dụng nhiều nhất, với phạm vi ứng dụng rộng rãi nhất vì cường độ cao, tính ổn định thủy nhiệt tốt và nguồn nguyên liệu dồi dào (Wang, 19 L. Tuy nhiên, khi phạm vi sử dụng bê tông ngày càng mở rộng, các tiêu chí nghiêm ngặt hơn đối với các đặc tính của bê tông (như cường độ nén, cường độ kéo, cường độ uốn, độ bền và khả năng chống va đập, mài mòn.) đang được đề xuất, chẳng hạn như tiêu chí cho nhà cao tầng và nhịp lớn các tòa nhà, cấu trúc xây dựng trong điều kiện khí hậu đóng băng, làm mặt đường bê tông cấp cao và các ứng dụng độc đáo khác (Wang, L. Do đó, nhu cầu về bê tông cường độ cao HSC càng nhiều, bền vững và có lợi về mặt sinh thái ngày càng tăng do sự phát triển nhanh chóng của cơ sở hạ tầng và công trình xây dựng. Các hạt NS được thêm vào bê tông ở các hàm lượng khác nhau, 1.0%, theo trọng lượng chất kết dính, và kết luận rằng cường độ kéo nén, uốn tăng lên mức cao nhất 15.
Mức độ khuyến nghị của việc thay thế NS trong bê tông để cải thiện khả năng chống xâm nhập của clorua. Hơn nữa, khi NS được bổ sung vào HSC đã có tác động tích cực; cường độ nén được cải thiện lần lượt là 21.0% so với hỗn hợp đối chứng, trong khi tỷ lệ tăng cường độ kéo đứt tăng lên lần lượt là khoảng 44.0% khi so sánh với hỗn hợp đối chứng. Phụ gia siêu dẻo cũng đã được sử dụng để tăng khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông (Amin, M. Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) nói chung và BTXM sử dụng phụ gia tro bay nói riêng thuộc loại mặt đường cứng, tầng mặt có độ cứng lớn hơn nhiều so với tầng móng và nền đất.
Dưới tác dụng của tải trọng và gradient nhiệt độ, tấm bê tông làm việc ở trạng thái chịu uốn và ở vị trí bất lợi nhất thường ở thớ dưới tại giữa góc cạnh dọc tấm. Từ các tính năng của phụ gia khoáng NS mang lại, nhóm tác giả bước đầu đã sử dụng NS và FA như một chất phụ gia khoáng thay thế xi măng trong thành phần hỗn hợp bê tông HSC 60MPa, mức tỷ lệ NS thay thế là 0%, 0.5% với hàm lượng FA cố định 30% cho tất cả hỗn hợp. Kế thừa các kết quả nghiên cứu chỉ tiêu cơ lý như: cường độ nén; cường độ kéo uốn; khả năng chống mài mòn; mô đun đàn hồi và thiết lập mối tương quan giữa chúng có thể cho phép chúng ta lựa chọn tỷ lệ NS và FA hợp lý. Với tỷ tệ NS và FA hợp lý tạo ra sản phẩm bê tông HSC mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong đề xuất thiết kế mặt đường ô tô cấp cao khu vực miền Nam.
Vật liệu chế tạo và kế hoạch thực nghiệm 2. Vật liệu chế tạo 2. Xi măng PC40: Các đặc tính vật lý và thành phần hóa học của PC40 được sử dụng trong nghiên cứu này, được sản xuất tại Việt Nam thương hiệu Bút Sơn, phù hợp theo tiêu chuẩn TCVN 2682:2009 và Quyết định số 1951/BGTVT/2012, khối lượng riêng của PC40 là 3. Tro bay FA: Tro bay có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 được sử dụng để thay thế xi măng, khối lượng riêng của FA là 2.
Tro bay được thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM C311-16 tại Trung tâm kỹ thuật chuẩn đo lường chất lượng 3 (Quatest 3) mã KT3-01164BXD8 (Trần Hữu Bằng và nkk, 2022). Nano SiO2 được điều chế từ RHA: Nhóm tác giả sử dụng sản phẩm đã được điều chế từ RHA, kết quả nghiên cứu các hạt NS có kích thước trung bình 15nm, cấu trúc tinh thể và vô định hình có khả năng phản ứng puzơlan. Những tính chất vật lý chung của hạt NS điều chế từ tro trấu sử dụng được thể hiện trong trình bày (Trần Hữu Bằng và nkk, 2022).4 Cốt liệu nhỏ (Cát) dùng trong bê tông HSC: Cát sông Đồng Nai. Kết quả thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ, lý và phân tích thành phần hạt theo tiêu chuẩn ASTM C33, ASTM C29 đáp ứng theo yêu cầu kỹ thuật TCVN 7570:06; TCVN 7572:06 và Quyết định số 1951/BGTVT/2012 (Trần Hữu Bằng và nkk, 2022).
Cốt liệu lớn (Đá) dùng trong bê tông HSC: Đá dăm Bazan Dmax = 9.5mm ở mỏ đá Tân Đông Hiệp – Bình Dương. Kết quả thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ, lý và phân tích thành phần hạt của đá dăm theo ASTM C33, ASTM C29 đáp ứng theo yêu cầu kỹ thuật TCVN 7570:06, TCVN 7572:06, và Quyết định số 1951/BGTVT/2012 (Trần Hữu Bằng và nkk, 2022). Phụ gia hóa học siêu dẻo (PGSD): Sika Viscocrete 3000-20M là phụ gia siêu dẻo được cung cấp bởi Sika Group. Khả năng giảm nước cao của nó cho phép tạo ra tính lưu động tốt trong khi vẫn giữ được độ cô đọng tối ưu của hỗn hợp.
Theo TCVN 8826: 2011, phụ gia này phù hợp với các tiêu chuẩn đã được thiết lập để bổ sung hóa học vào bê tông (Trần Hữu Bằng và nkk, 2022). Nước: Nước sử dụng cho bê tông HSC là nước sạch, đạt tiêu chuẩn TCVN 4506:2012. Thành phần cấp phối cho bê tông HSC: Nghiên cứu sử dụng phương pháp ACI 211.4R-08 và tham khảo TCVN 10306:2014 để thiết kế thành phần HSC. Phương pháp ACI: NS được sử dụng với nhiều tỷ lệ khác nhau trong các thành phần cấp phối, bao gồm 0.5%, với hàm lượng FA cố định 30% theo tổng số lượng chất kết dính.
Tỷ lệ nước trên chất kết dính được giữ ở mức 0.32 cho tất cả các hỗn hợp. Tỷ lệ cấp phối của bốn hỗn hợp được trình bày trong Bảng 1. Có thể thấy rằng PGSD được tăng dần để kiểm soát giá trị độ sụt của các hỗn hợp ở mức 5 ± 1cm (Trần Hữu Bằng và nkk, 2022). Kết quả tính toán thành phần HSC 60MPa sử dụng NS và FA Vật liệu thành phần cho 1m3 bê tông HSC Cấp phối Cement Cát Đá FA NS PGSD Nước N/CKD (kg) (kg) (kg) (kg) (kg) (lít) (lít) NS0 338.
Kế hoạch thực hiện Tổ hợp lấy giá trị trung bình của 3 mẫu để xác định một số chỉ tiêu của bê tông HSC cho mỗi ngày tuổi. Mỗi cấp phối có 30 mẫu bao gồm (Hình 1): Xác định giá trị cường độ nén (Rn) có 12 mẫu hình trụ (15x30) cm, giá trị cường độ kéo uốn (Rku) có 12 mẫu dầm (15x15x60) cm ở tuổi 3, 7, 28 và 56 ngày, 03 mẫu hình trụ (15x30) cm để xác định mô đun đàn hồi nén tĩnh (Eđh) ở tuổi 28 ngày, 03 mẫu hình lập phương (7.07) mm để xác định độ mài mòn ở tuổi 28 ngày và công tác chuẩn bị vật liệu mẻ trộn (Hình 2). Tổng cộng 4 tổ hợp cho tất cả 120 mẫu bê tông HSC các loại được chế tạo, bảo dưỡng trong điều kiện và được thử kiệm tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM – Phòng Thí nghiệm Vật liệu Xây dựng LAS-XD 238 (Trần Hữu Bằng và nkk, 2022).Chuẩn bị mẫu Rn, Rku và Eđh Hình 2. Chuẩn bị mẻ trộn 2.
Trình tự trộn hỗn hợp bê tông HSC sử dụng phụ gia nano SiO2 và tro bay Diện tích bề mặt đặc trưng của các hạt NS rất cao cùng với các tính chất đặc biệt của các hạt silica ở kích thước nanomet làm cho việc phân tán NS trở nên khó khăn hơn. Để đảm bảo các mẻ trộn có thành phần vật liệu đồng nhất của các hạt NS phân tán trong bê tông HSC với mức độ ổn định cao, nhóm tác giả nghiên cứu và đề xuất trình tự trộn trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu trước và kinh nghiệm đút kết từ quá trình trộn thử trình tự như (Hình 3 và Hình 4) (Trần Hữu Bằng và nkk, 2022). Sơ đồ trộn hỗn hợp bê tông HSC Hình 3. Thiết bị khuấy trộn NS sử dụng NS và tro bay 3.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận 3. Cường độ chịu nén Rn bê tông HSC sử dụng NS và FA Kết quả thí nghiệm cường độ nén thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM C39 và tham khảo TCVN 3118:1993 được thể hiện ở Hình 5 và Hình 6 (Trần Hữu Bằng và nkk, 2022). Thí nghiệm cường độ chịu nén Rn của bê tông HSC sử dụng NS và FA 22 3 days 7 days 28 days 56 days 100.00 Cường dộ chịu nén Rn (MPa) 90.5 Hàm lượng NS (%) Hình 6. Ảnh hưởng của NS đến cường độ chịu nén bê tông HSC * Nhận xét: Đối với mức ngày tuổi khác nhau, cường độ chịu nén tăng dần khi tỷ lệ NS sử dụng ≤ 1.
Tuy nhiên, khi tỷ lệ NS tăng lên 1.5% thì cường độ tăng lên không đáng kể và có xu hướng giảm so với tỷ lệ 1.