CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SILICA TRONG LĨNH VỰC XÂY DỰNG 1. Định nghĩa Silica fume hay còn được gọi là microsilica - là một loại bột mịn có được từ việc khử thạch anh. Loại này có độ tinh khiết cao với các vật liệu cacbon như than, than cốc trong lò hồ quang điện ở nhiệt độ trên 200 độ C trong quá trình sản xuất ra hợp kim silic và ferrosilicon. Silica fume là vật liệu siêu mịn, chứa SiO2 vô định hình, thu được trong quá trình sản xuất silic và hợp kim silic bằng hồ quang.
Tỷ lệ SiO2 trong silica fume phụ thuộc vào loại hợp kim sản suất. Silica fume thu được khi sản xuất hợp kim 50% ferrosilicon chứa khoảng từ 74% đến 84% SiO2, thu được khi sản xuất hợp kim 75% ferrosilicon chứa khoảng từ 84% đến 91% SiO2, còn thu được khi sản xuất silic chứa khoảng từ 87% đến 98% SiO2. Silica fume được sử dụng như một vật liệu nâng cao tài sản trong nhiều lĩnh vực có dạng bột mịn có được từ việc khử thạch anh (quartz) sơ đồ sản suất. Tại Việt Nam, Ngoài những mỏ kể trên, đá thạch anh được phân bố chủ yếu ở các tỉnh miền Trung như: Thanh Hóa, khu vực Tây Bắc.
Những khu vực này dễ dàng tìm thấy được tinh thể thạch anh hình trụ dài. Ngoài ra, những dạng đá khác còn được tìm thấy ở các mỏ tại khu vực Kon Tum, Lâm Đồng, Đắc Lắc,… Silica fume có màu sắc đa dạng từ trắng đến màu tro, xanh nhạt và cả màu hồng sẫm, màu đen. Hình thức phổ biến dễ nhận thấy nhất là: đá phấn, silica fume, đá cẩm thạch. Silic dioxit là một hợp chất hóa học còn có tên gọi khác là silica (từ tiếng Latin silex), là một ôxít của silic có công thức hóa học là SiO2 và nó có độ cứng cao được biết đến từ thời cổ đại.
Phân tử SiO2 không tồn tại ở dạng đơn lẻ mà liên kết lại với nhau thành phân tử rất lớn. Silica có hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và vô định hình. Trong tự nhiên silica tồn tại chủ yếu ở dạng tinh thể hoặc vi tinh thể (thạch anh, triđimit, cristobalit, cancedoan, đá mã não), đa số silica tổng 5 hợp nhân tạo đều được tạo ra ở dạng bột hoặc dạng keo và có cấu trúc vô định hình (silica colloidal). Một số dạng silica có cấu trúc tinh thể có thể được tạo ra ở áp suất và nhiệt độ cao như coesit và stishovit.
Thành phần chính của silica fume là Silic đioxit có công thức hóa học là: SiO2 Hình 1. Đặc điểm của Silica Fume Silica Fume có kích thước hạt nhỏ hơn 100 – 150 lần so với kích thước hạt xi măng. Chúng có thể lấp đầy các lỗ rỗng do nước tự do thoát ra trong đệm xi măng. Ngoài ra, độ siêu mịn của muội Silic cho phép chúng lấp đầy các lỗ rỗng vi mô giữa các hạt xi măng.
Hiệu quả của các vi chất lấp đầy này là làm tăng liên kết giữa cốt liệu với hồ xi măng. Giúp giảm khả năng thấm nước so với bê tông thông thường. Để nâng cao hiệu quả kinh tế – kỹ thuật, giảm giá thành, có thể sử dụng kết hợp Silica Fume với các loại phụ gia khoáng khác. Khi đó, phương án sử dụng cụ thể cần được xác định trên cơ sở kết quả thí nghiệm với vật liệu thực tế.
Các trạng thái của Silica fume Dạng bột rời: Silica fume dạng bột rời được thu trực tiếp từ sản xuất silic và hợp kim silic bằng hồ quang mà không qua chế biến. Silica fume dạng bột rời có độ mịn cao và khối lượng thể tích xốp thấp (từ 130 kg/m3 đến 430 kg/m3 ). Khi sử dụng silica fume dạng bột rời cần chú ý tránh hiện tượng tắc ống vận chuyển bằng khí nén, kết khối trong silô chứa hay hạn chế việc phát tán bụi,. Dạng bột nén: Silica fume dạng bột rời có thể được xử lý qua quá trình kết khối thành các tổ hợp gồm các hạt silica fume liên kết yếu với nhau.
Khi đó, hỗn hợp có khối lượng thể tích xốp lớn hơn (từ 480 kg/m3 đến 640 kg/m3 ), dễ vận chuyển và xử lý. Các tổ hợp hạt silica fume sẽ bị phá vỡ và phân tán CDKT 7 đều trong quá trình trộn bê tông. Silica fume dạng bột nén có thể được bổ sung hoặc không bổ sung phụ gia hóa học dạng bột (giảm nước, giảm nước mức cao, kéo dài thời gian đông kết,. Dạng hồ: Hồ nước silica fume có khối lượng thể tích khoảng từ 1320 kg/m3 đến 1440 kg/m3 chứa khoảng từ 42% đến 60% silica fume khô theo khối lượng.
Hồ nước 50% silica fume chứa khoảng 700 kg/m3 silica fume khô theo khối lượng. Hồ nước silica fume có thể có thêm hoặc không thêm các loại phụ gia hóa học khác.2: Bột silica fume 7 1. Phân loại vật liệu bột silica fume Silica fume – microsilica Microsilica đậm đặc (Silica Fume) trong xây dựng là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất kim loại silic hoặc hợp kim ferrosilicon, với hàm lượng SiO2 nằm trong khoảng từ 85% đến 97%, khối lượng riêng 500 - 700kg/m3.1: Bảng hàm lượng SIO2 trong Microsilica đậm đặc Lớp SIO2 Các ứng dụng G85D >85% G90D >95% Cho xây dựng G92D >92% G95D >94% Microsilica không tăng cường Là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất hợp kim ferrosilicon hoặc kim loại silic, với hàm lượng SiO2 dao động từ 85% đến 96%, mật độ khối khoảng 300- 400kg / m3 và màu xám nhạt. Chúng được phân loại là Lớp 85U, Lớp 92U, Lớp 94U và Lớp 96U.2: Bảng hàm lượng SIO2 trong Microsilica không tăng cường Lớp SIO2 Các ứng dụng G85U >85% Đối với phân bón G92U >92% Đối với xây dựng G94U >94% Đối với vật liệu chịu lửa G96UE >95,5% Đối với vật liệu xây dựng chịu lửa G96U >96% Đối với vật liệu chịu lửa 8 Microsilica trắng Với SiO2 lên đến 92% -96%; là một sản phẩm phụ của zirconia, nó có các tính năng tuyệt vời cả về silica và zirconia, chẳng hạn như hàm lượng SiO2 cao, độ hạt mịn, diện tích bề mặt lớn và tính lưu động tốt để tăng cường khả năng chống mài mòn, độ bền và hiệu suất gia cố trong các lĩnh vực vật liệu phun, xi măng và bê tông, vật liệu chịu lửa, gốm sứ và vật liệu điện tử.3: Bảng hàm lượng SIO2 trong Microsilica trắng Các sản phẩm SIO2 ZrO2 ZSF G94 >92% ZSF G95 >93% <2% ZSF G96 >94% 1.
Cơ chế hoạt động của Silica fume Silica fume thường hoạt động ở 2 chức năng: Chức năng thứ nhất có tác dụng như một chất pudơlan hay tác dụng hoá học. Phản ứng pudơlan là phản ứng giữa dioxyt silic nồng độ cao(SiO2 > 85%) trong silica fume với Ca(OH)2 được tạo ra do thuỷ hoá xi măng. Phản ứng tạo ra gel CSH liên kết chặt chẽ hơn với cốt liệu và đồng thời làm giảm sản phẩm Ca(OH)2 không có lợi sinh ra trong thuỷ hoá xi măng. Vai trò của CSH là làm tăng cường độ tổng thể , đặc biệt là cường độ cao và độ bền vững cao cho bê tông ở tuổi sớm.
Chức năng thứ hai, silica fume đóng vai các chất kết dính về mặt vật lý. Vì silica fume có kích thước hạt nhỏ hơn kích thước hạt xi măng 100 - 150 lần, lấp đầy các lỗ rỗng do nước tự do thoát ra trong đệm xi măng. Với liều lượng điển hình bằng 8% khối lượng xi măng,có khoảng 100.000 hạt dành cho mỗi hạt xi măng sẽ lấp đầy không gian chứa nước trong bê tông tươi. Ứng dụng bột silica fume Trong xây dựng: Bê tông cường độ cao có chứa Silica Fume thường được dùng trong các rầm dự ứng lực tiền chế.
Bê tông cường độ cao cho phép tăng khẩu độ trong thiết kế rầm cầu. Theo đó, bê tông Silica Fume sẽ cường độ nén cao lên tới 100Mpa, có mô đun đàn hồi cao hơn 40.000 MPa và cường độ uốn đạt 14 MPa. Bê tông tính năng cao(HPC) có chứa silica fume - là loại vật liệu có ưu điểm lớn cần thiết trong việc cải tạo cơ sở hạ tầng. Bên cạnh độ bền vững và cường độ tăng đáng kể thì HPC còn được chế tạo với silica fume có khả năng chống thấm cao, tăng khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn.
Bê tông phun Silica fume giúp tiết kiệm được chi phí và thời gian. Bên cạnh đó sử dụng bê tông phun mang lại hiệu quả cao hơn bê tông thường. Silica fume làm tăng độ dính kết và có độ dày lớn hơn, giúp giảm được đáng kể cường độ bật nẩy và làm tăng cường độ uốn. Silica Fume thường được dùng để làm thành phần chính trong các sản phẩm kết dính sửa chữa.
Vữa trát, vữa phun hay vữa phun khô biến tính bằng Silica Fume đều có thể được cấp phối cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Điển hình là sử dụng Silica Fume cho việc sửa chữa các kết cấu bê tông hư hỏng trong môi trường biển - nơi cần tăng độ chống thấm và độ kháng xâm nhập của ion clo. Trong lĩnh vực phun trát bít các vách giếng dầu để sửa chữa các chỗ bị đục phá, rò rỉ và hàn vá các vùng bị hư hỏng thì việc cho thêm Silica fume vào trong vữa sẽ giúp cho hiệu ứng bao bọc cao hơn và thi công được dễ dàng hơn. Điều này giúp ngăn ngừa sự thấm gas, giảm tốc độ thấm nước và tạo ra dòng chảy tốt cho vữa, đồng thời làm tăng độ bền vững và cường độ nén cho công trình.
Sử dụng làm vật liệu chịu lửa Sử dụng silica fume trong vật liệu chịu lửa có thể tạo ra độ sắp xếp cho các hạt được tốt hơn, đòi hỏi ít nước hơn mà không làm giảm độ lưu động. Ngoài ra, sử 10 dụng silica fume cũng giúp làm tăng khả năng tổng hợp và tạo ra mullite ở nhiệt độ thấp trong đệm chịu lửa. Vật liệu chịu lửa chứa silica fume có cường độ cao hơn nhiều so với vật chịu lửa không chứa silica fume, đặc biệt dưới nhiệt độ cao và với độ đặc cao hơn thì vật liệu chịu lửa có thể duy trì được độ rỗng nhỏ hơn và ổn định thể tích hơn. Ngành khác: Ứng dụng trong sản xuất gốm sứ và vật liệu điện tử.3: Ứng dụng silica vào sản xuất chén đĩa 1.
Ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vữa Xi – Măng Ảnh hưởng của nano silica: Tính chất cơ học: của vữa xi măng là không kết tụ và vô định hình [7] Các nghiên cứu về sự thâm nhập của clorua cho thấy bột silica làm giảm đáng kể sự xâm nhập của ion clorua vì cấu trúc vi mô được cải thiện đáng kể bằng cách kết hợp vào vữa xi măng.