Tổng quan luận án

Quy hoạch phát triển kết cấu hạ tầng giao thông giai đoạn 2021–2030, tầm nhìn đến năm 2050 đặt ra mục tiêu xây dựng mới 9.014 km đường bộ cao tốc, 29.797 km Quốc lộ, cùng hệ thống cảng biển gồm 16 cảng phía Bắc và 25 cảng phía Nam. Khối lượng xây dựng này đòi hỏi một lượng lớn bê tông xi măng chất lượng cao. Bên cạnh yêu cầu về cường độ chịu lực, các công trình giao thông tại dải ven biển và hải đảo phải làm việc trong điều kiện môi trường biển khắc nghiệt, chịu tác động ăn mòn trực tiếp của ion clo ($Cl^-$) và sunphat ($SO_4^{2-}$). Thực tế này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nâng cao đồng thời cường độ chịu nén và độ bền lâu của vật liệu bê tông.

Hiện nay, việc chế tạo bê tông cường độ cao (HSC) và bê tông chất lượng cao (HPC) thường sử dụng muội silic (silica fume - SF) đơn lẻ hoặc kết hợp với tro bay, xỉ lò cao. Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ nano, cụ thể là nano silic ($nano-SiO_2$), mở ra khả năng cải thiện cấu trúc vi mô nhờ hiệu ứng lấp đầy các khoảng trống giữa xi măng và muội silic, đồng thời thúc đẩy phản ứng pozzolanic tạo thêm gel canxi silicat hydrat (C-S-H). Đa số các nghiên cứu trước đây điều chế nano silic từ nguồn hóa chất tinh khiết có giá thành cao, hoặc nghiên cứu trên bê tông thông thường. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa thành phần cấp phối bê tông chất lượng cao cấp cường độ 70 MPa sử dụng kết hợp muội silic với nano silic điều chế từ phụ phẩm nông nghiệp (tro trấu), ứng dụng vào kết cấu dầm chịu lực và đánh giá dự báo tuổi thọ công trình trong môi trường xâm thực biển tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được văn bản xác định cụ thể như sau:

  1. Sử dụng vật liệu muội silic, nano silic và các loại vật liệu chế tạo bê tông thông thường, dùng quy hoạch thực nghiệm để thiết kế và chế tạo bê tông chất lượng cao có cường độ nén tối ưu cấp 70 MPa.
  2. Ứng dụng bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic trong kết cấu dầm chịu lực và tính toán tuổi thọ công trình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic; kết cấu dầm chịu uốn.
  • Phạm vi nghiên cứu: Bê tông chất lượng cao muội silic và nano silic đạt cấp cường độ 70 MPa; ứng dụng trên kết cấu dầm chịu lực U38 và tính toán dự báo tuổi thọ công trình chịu tác động xâm thực.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến vật liệu nano, muội silic và độ bền bê tông trong môi trường ion clo:

  1. Nghiên cứu về cơ chế và vai trò của nano silic trong bê tông: Sobolev [110] phân tích sự phân bố kích thước hạt, chỉ ra rằng diện tích bề mặt riêng của nano silic rất lớn, mở rộng dải phân bố cỡ hạt từ cấp milimét xuống cấp nanomét. Sobolev [110], Jing Xu và cộng sự [66] chứng minh nano silic cải thiện chất lượng vùng chuyển tiếp bề mặt (ITZ) giữa cốt liệu và hồ xi măng. Theo P. Singh và cộng sự [77], nano silic đóng 5 vai trò chính: tăng cường độ (Strength Enhancement), giảm rửa trôi canxi (Reduce Ca-leaching), tăng độ bền (Increase Durability), gia tăng tốc độ thủy hóa (Accelerate Hydration rate) và làm mịn cấu trúc lỗ rỗng (Refine Pore Structure).

Mondal và cộng sự [82] khi so sánh hồ xi măng thường với các mẫu thay thế 15% muội silic, 6% nano silic và 18% nano silic đã định lượng tỷ lệ pha cấu trúc: mẫu sử dụng 18% nano silic đạt 50% thể tích gel C-S-H độ cứng cao (so với 19% ở mẫu 0% silic), đồng thời triệt tiêu hoàn toàn tinh thể canxi hydroxit $Ca(OH)_2$ tự do (CH). Li [72], Senff và cộng sự [104] ghi nhận nano silic rút ngắn thời gian đông kết của vữa. Liu M [75] và Forood Torabian Isfahani [48] xác nhận nano silic thúc đẩy thủy hóa sớm; mẫu hồ xi măng bổ sung 2,5% nano silic có cường độ 28 ngày tăng 30% so với đối chứng.

Ji [65] công bố kết quả thực nghiệm cho thấy việc bổ sung nano silic giúp áp lực thấm nước tăng từ 0,5 MPa lên trên 3,2 MPa, chiều sâu thấm trung bình giảm từ 146 mm xuống 81 mm, độ thẩm thấu tăng từ cấp S4 lên trên S12. Kurapati [69] ghi nhận nano silic giúp giảm 21% thể tích lỗ rỗng thẩm thấu và giảm 36% độ hấp thụ nước. Gaitero và cộng sự [61] chứng minh nano silic hạn chế quá trình rửa trôi và khử canxi của pha C-S-H. Said và cộng sự [98] (2012) sử dụng phương pháp đo màu chỉ ra chiều sâu thâm nhập ion clo ở bê tông chứa 6% nano silic thấp hơn đáng kể so với bê tông đối chứng.

  1. Nghiên cứu về phụ gia muội silic đơn lẻ: Các tác giả Vishal và cộng sự [90], Ajileye và cộng sự [20], Ghutke & Bhandari [51], Roy và cộng sự [95], Perumal & Sundararajan [88] đều ghi nhận hàm lượng muội silic tối ưu để tăng cường độ nén và cường độ kéo uốn nằm trong khoảng 8% đến 10% chất kết dính. Vikas Srivastava và cộng sự [114] xác định tỷ lệ thay thế tối ưu trên bê tông M25 là 5%. Shanmugapriya và cộng sự [106] ghi nhận bê tông chứa 8% muội silic có cường độ 28 ngày đạt 72,5 MPa (so với đối chứng 59,2 MPa). Amarkhail và cộng sự [23] chỉ ra mức thay thế 10% muội silic đạt cường độ nén cao nhất và 15% đạt cường độ kéo uốn cao nhất. Smuralidharan và cộng sự [109] kết luận hiệu quả kiểm soát ăn mòn cốt thép rõ nét nhất ở ngưỡng 8% muội silic. Tại Việt Nam, Nguyễn Công Thắng [12] xác định mức 10% muội silic giúp UHPC đạt cường độ nén 152–160 MPa; Phạm Duy Hữu và cộng sự [6] kiến nghị dùng 5–7% muội silic đối với bê tông công trình biển để giảm điện lượng thấm ion clo. Căn cứ khuyến cáo của tiêu chuẩn ACI 211.4R-08 (5–15%), tác giả luận án lựa chọn cố định hàm lượng muội silic là 8% chất kết dính.

  2. Nghiên cứu kết hợp muội silic và nano silic: Ehsan Ghafari và cộng sự [44], [46] nghiên cứu bê tông UHPC và HPC, chỉ ra nano silic không phủ cacbon (NS) cải thiện cường độ nén 28 ngày và có tốc độ ăn mòn đo bằng kỹ thuật LPR và Tafel thấp nhất. Hongjian Du và cộng sự [57], Quercia và cộng sự [50], Morteza Bastami và cộng sự [83], Min-Hong Zhang và cộng sự [80], Aleem và cộng sự [96], Sattaw Haruehanano silicapong và cộng sự [102], Bibhuti Bhusan Mukharjee và cộng sự [38], Prasada Rao và U. Anil Kumar [43], Ye Qing và cộng sự [117] đều xác nhận sự kết hợp này nâng cao độ đặc chắc, giảm độ xốp và tăng cường liên kết bề mặt. Về ứng dụng thực tế, các công trình cầu Garnerplatzbucke (Đức, 2007), cầu Iowa (Hoa Kỳ, 2006) và hầm Umberto I (Ý) đã ứng dụng bê tông chứa phụ gia nano [13].

  3. Nghiên cứu tại Việt Nam và kết quả thực nghiệm dầm chịu lực: Vũ Việt Cường [4] (2014) khảo sát bê tông chứa 40% tro bay kết hợp 2% nano silic, ghi nhận cường độ nén tăng 1,15–1,2 lần và giảm 25% điện lượng thấm ion clo. Đặng Thị Thanh Lê [9] sử dụng nano silic tro trấu (kích thước 10–15 nm, $SiO_2 > 99,9%$) ở mức 2,5%, giảm 30,4% điện lượng ở cấp M60 và 26% ở cấp M70. Trần Hữu Bằng [1] (2020) nghiên cứu bê tông cấp 30–40 MPa với nano silic từ 0–2%, ghi nhận mức giảm điện lượng thấm clo từ 9,07% đến 43,06%. Ngô Văn Thức [13] (2020) nghiên cứu bê tông cấp 70 MPa với nano silic từ 0–3%, xác định tỷ lệ tối ưu là 1,5%.

Tác giả Năm công bố Dải hàm lượng NS (%/CKD) Tỷ lệ đề xuất (%/CKD) Cường độ nén mẫu đề xuất (MPa) Cường độ nén mẫu 0% NS (MPa) Mức chênh lệch (%)
Said và cộng sự [98] 2012 0; 3; 6 3 51,00 49,00 4,1
Ehsan Ghafari và cộng sự [44] 2014 0; 1; 2; 3; 5 3 144,00 133,00 8,0
Alireza Khaloo [22] 2016 0; 0,75; 1,5 1,5 64,00 51,00 25,5
Vũ Việt Cường [4] 2014 0; 1; 2 2 48,50 41,53 16,8
Trần Hữu Bằng [1] 2020 0; 0,5; 1; 1,5; 2 1 56,76 49,89 13,8
Ngô Văn Thức [13] 2020 0; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3 1,5 87,33 81,93 6,5

Về ứng xử kết cấu, T. Mustafa và cộng sự [112] thí nghiệm dầm kích thước $100 \times 200 \times 900$ mm; mẫu dầm bổ sung 3,0% nano silic có tải trọng xuất hiện vết nứt đầu tiên ($P_{cr}$) tăng 20,3%, tải trọng phá hoại ($P_u$) tăng 19,2% và mô men uốn thực nghiệm vượt mô men tính theo ACI 318-14. J. Sridhar và cộng sự [62] thử nghiệm dầm $100 \times 150 \times 1.200$ mm, ghi nhận mẫu chứa 3% nano silic có tải trọng nứt tăng 21% và tải trọng tới hạn tăng 34% (đạt 92,5 kN so với 69,0 kN của mẫu đối chứng).

Về độ bền và ăn mòn, GS. Mutsuyoshi [8] (2001) thống kê các hư hại cầu bê tông cốt thép tại Nhật Bản cho thấy nguyên nhân do ion clo xâm nhập chiếm tới 66%. Phạm Duy Hữu [6], [8] và Đào Văn Dinh đã xây dựng các cơ sở thiết kế kết cấu theo độ bền và mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu ven biển dựa trên định luật Fick và mô hình Duracrete [113].

Khoảng trống nghiên cứu giải quyết: Mặc dù các nghiên cứu đã khẳng định hiệu quả của nano silic, việc phối hợp đồng thời muội silic (cố định 8%) và nano silic có nguồn gốc từ tro trấu nông nghiệp Việt Nam để chế tạo bê tông chất lượng cao cấp 70 MPa chưa được tối ưu hóa toán học; đồng thời việc áp dụng cấp phối này vào kết cấu dầm cầu chịu lực thực tế (dầm U38) và tính toán tuổi thọ công trình trong môi trường biển Việt Nam vẫn chưa được giải quyết đồng bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Cơ chế hydrat hóa và phản ứng pozzolanic của nano silic: Khi phân tán vào hỗn hợp bê tông, các hạt nano silic đóng vai trò là mầm nhân tạo tinh thể (nucleation sites). Ion $H_2SiO_4^{2-}$ phản ứng với ion $Ca^{2+}$ giải phóng từ quá trình hydrat hóa xi măng tạo thành gel canxi silicat hydrat (C-S-H) bổ sung. Gel C-S-H hình thành lấp đầy không gian lỗ rỗng mao quản và vùng chuyển tiếp bề mặt (ITZ), làm giảm thể tích lỗ rỗng và kết nối rỗng. Đồng thời, phản ứng tiêu thụ canxi hydroxit $Ca(OH)_2$ (thành phần tinh thể làm giảm độ bền và dễ bị rửa trôi), biến đổi thành gel C-S-H có độ cứng cao.
  • Cơ chế xâm thực của ion clo và ăn mòn cốt thép: Quá trình ăn mòn gồm hai giai đoạn:
    • Giai đoạn 1 (Xâm nhập ion clo): Ion clo từ môi trường biển xâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ vào bên trong thông qua các cơ chế: sức hút mao dẫn bề mặt (đặc biệt tại vùng mớm nước), sự khuếch tán do chênh lệch nồng độ (tuân theo định luật khuếch tán Fick), sự thẩm thấu do áp lực chất lỏng và thẩm thấu do chênh lệch điện thế.
    • Giai đoạn 2 (Bắt đầu ăn mòn cốt thép): Khi nồng độ ion clo tại bề mặt cốt thép vượt qua ngưỡng giới hạn (tiêu chuẩn EN 206.1 quy định ngưỡng 0,1% đến 0,4% khối lượng xi măng), màng thụ động bảo vệ thép trong môi trường kiềm (pH 12–13) bị phá hủy. Phản ứng rỗ bề mặt diễn ra tạo thành $FeCl_2$, $FeOCl$, giải phóng $H^+$ làm giảm cục bộ pH, sinh ra gỉ thép $Fe(OH)_2$ gây trương nở thể tích, nứt vỡ lớp bê tông bảo vệ. Dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn được tính toán trên mô hình khuếch tán Fick theo chỉ dẫn Duracrete [113] và phần mềm Life-365.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu và kế thừa: Sử dụng các quy trình tiêu chuẩn ACI 211.4R-08 để thiết kế cấp phối bê tông chất lượng cao; tiêu chuẩn ACI 318-14 để tính toán kết cấu dầm chịu uốn; tiêu chuẩn ASTM và TCVN đối với thí nghiệm vật liệu và độ bền.
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm (Box – Wilson): Áp dụng kế hoạch thực nghiệm trực giao bậc hai hai yếu tố ($k=2$) để tối ưu hóa đồng thời cường độ chịu nén 28 ngày ($y_1$, đơn vị MPa) và độ thấm ion clo ($y_2$, đơn vị Culong).
    • Yếu tố $X_1$: Tỷ lệ Nước/Chất kết dính (N/CKD), biến thiên ở 3 mức: 0,26 (mức -1); 0,30 (mức 0); 0,34 (mức +1).
    • Yếu tố $X_2$: Tỷ lệ thay thế nano silic (% NS/CKD), biến thiên ở 3 mức: 1,2% (mức -1); 2,0% (mức 0); 2,8% (mức +1).
    • Mô hình toán hồi quy phi tuyến bậc 2 có dạng: $$y = b'0 + b_1 x_1 + b_2 x_2 + b{12} x_1 x_2 + b_{11} x'1 + b{22} x'_2$$ Số lượng phương án thí nghiệm gồm 4 thí nghiệm theo ma trận toàn phần $2^2$, các thí nghiệm lặp tại tâm để kiểm tra sai số, và bổ sung các điểm sao tạo thành hệ thống 9 cấp phối thực nghiệm trực giao.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm tra cơ lý và độ bền:
    • Đo độ sụt hỗn hợp bê tông: Tiêu chuẩn ASTM C143, sử dụng côn sụt kích thước đáy $203 \text{ mm}$, miệng $102 \text{ mm}$, chiều cao $305 \text{ mm}$, que đầm đường kính $16 \text{ mm}$, dài $600 \text{ mm}$.
    • Chế tạo và bảo dưỡng mẫu: Tiêu chuẩn ASTM C192, đúc mẫu hình trụ đường kính 100 mm, chiều cao 200 mm. Mẫu được đầm dùi theo 3 lớp (mỗi lớp 25 lần đầm), dưỡng ẩm 24 giờ sau đó ngâm bảo dưỡng trong môi trường chuẩn $27 \pm 2^\circ\text{C}$ (theo quy định tại Việt Nam).
    • Thí nghiệm cường độ nén: Tiêu chuẩn ASTM C39 trên máy nén thủy lực, vận tốc gia tải ổn định $0,25 \pm 0,05 \text{ MPa/s}$ cho tới khi mẫu bị phá hủy; ghi nhận tải trọng phá hoại $P$ và xác định $f'_c = P/A$.
    • Thí nghiệm đo độ thấm ion clo nhanh (RCPT): Tiêu chuẩn ASTM C1202 và TCVN 9337. Mẫu thử hình trụ kích thước đường kính 100 mm, dày 50 mm (cắt từ giữa mẫu trụ $100 \times 200 \text{ mm}$). Sử dụng máy kiểm tra tự động PROOVE’it (Germann Instruments). Áp hiệu điện thế 60 V một chiều trong 6 giờ qua mẫu; một mặt tiếp xúc dung dịch $NaCl \text{ 3%}$ (cực âm), mặt còn lại tiếp xúc dung dịch $NaOH \text{ 0,3N}$ (cực dương). Tổng điện lượng $Q$ (Culong) truyền qua mẫu đánh giá mức độ chống thấm ion clo.

Nguồn tư liệu và vật liệu chế tạo

  • Xi măng: Xi măng Pooclăng PC40 Bút Sơn, khối lượng riêng $3.100 \text{ kg/m}^3$ ($3,10 \text{ g/cm}^3$), cường độ chịu nén 28 ngày đạt $45,4 \text{ MPa}$ (ASTM C109), độ dẻo tiêu chuẩn $30,0%$, thời gian đông kết bắt đầu 105 phút, kết thúc 210 phút (ASTM C191), diện tích bề mặt riêng $3.600 \text{ cm}^2/\text{g}$ (ASTM C204), đạt tiêu chuẩn TCVN 2682:2009 và ASTM C150 Type I.
  • Muội silic (Silica Fume): Sản phẩm Sikacrete PP1 của Sika Việt Nam, khối lượng riêng $2,20 \text{ g/cm}^3$ (TCVN 4030:2003), sử dụng hàm lượng cố định 8% tổng lượng chất kết dính.
  • Nano silic: Điều chế từ tro trấu tại Trung tâm Nghiên cứu Hóa học Ứng dụng, Trường Đại học Thủy lợi, khối lượng riêng $2,20 \text{ g/cm}^3$.
  • Cốt liệu lớn (đá dăm): Đá dăm Kim Bảng – Hà Nam, kích thước danh định lớn nhất $D_{max} = 9,5 \text{ mm}$, khối lượng riêng $2,78 \text{ g/cm}^3$, khối lượng thể tích đầm chặt $\rho_{đc} = 1.630 \text{ kg/m}^3$.
  • Cốt liệu nhỏ (cát): Cát Sông Lô – Phú Thọ, khối lượng riêng $2,61 \text{ g/cm}^3$, độ rỗng thực tế của cát $r_c = 36%$.
  • Nước: Đạt tiêu chuẩn TCVN 4506:2012.
  • Phụ gia siêu dẻo (PGSD): Sika Viscocrete 3000-20M, khối lượng thể tích $1,05 \text{ kg/lít}$, liều lượng sử dụng cơ sở $1,2 \text{ lít}/100 \text{ kg CKD}$, khả năng giảm nước tính toán là 15%.
  • Quy trình phân tán và trộn: Để tránh hiện tượng vón cục của nano silic, hạt nano được trộn trước với 50% tổng lượng nước trong cối inox 5 lít bằng máy trộn vữa tốc độ cao (hành trình đi 80 giây, hành trình về 60 giây). Trộn khô hỗn hợp đá, cát, xi măng và muội silic trong 2–3 phút; thêm 25% lượng nước tạo ẩm bề mặt; cho hỗn hợp nano silic đã phân tán cùng lượng nước còn lại vào trộn tiếp 2 phút; cuối cùng thêm phụ gia siêu dẻo cùng lượng nước hiệu chỉnh và trộn đều.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu bê tông muội silic-nano silic

Chương 1 tập trung phân tích tổng quan các luận điểm khoa học về cấu trúc phân tử và quá trình hydrat hóa của bê tông khi có mặt các hạt kích thước nanomét. Luận án làm rõ cơ chế lấp đầy vi mô (filler effect) và phản ứng pozzolanic của nano silic. Tác giả tổng hợp các kết quả thực nghiệm quốc tế và trong nước về ảnh hưởng của nano silic và muội silic tới độ sụt, thời gian đông kết, sự kết tinh $Ca(OH)_2$, cường độ chịu nén sớm, tính thấm, tính chống ăn mòn axit, khử canxi và chống xâm thực ion clo.

Chương này trình bày cơ chế hai giai đoạn của quá trình xâm thực clo gây ăn mòn cốt thép và các mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu theo định luật Fick. Tác giả phân tích dữ liệu ứng xử uốn dầm bê tông cốt thép có nano silic từ các nghiên cứu của T. Mustafa và cộng sự [112], J. Sridhar và cộng sự [62]. Trên cơ sở tổng hợp tài liệu, chương 1 đi đến kết luận khoa học: việc sử dụng muội silic nên cố định ở mức 8% chất kết dính (phù hợp khuyến cáo của ACI 211.4R-08 và các nghiên cứu thực nghiệm); đồng thời xác định phạm vi biến thiên thích hợp của nano silic từ phụ phẩm tro trấu là 1,2% đến 2,8% chất kết dính để làm cơ sở cho việc thiết lập bài toán quy hoạch thực nghiệm ở chương tiếp theo.

Chương 2: Vật liệu và quy hoạch thực nghiệm bê tông chất lượng cao muội silic-nano silic

Nội dung chương 2 trình bày chi tiết các đặc tính cơ lý của hệ vật liệu thành phần và quy trình thiết kế cấp phối bê tông chất lượng cao cấp 70 MPa theo tiêu chuẩn ACI 211.4R-08 kết hợp thuật toán quy hoạch thực nghiệm Box – Wilson. Các bước thiết kế cấp phối được thực hiện tuần tự:

  1. Chọn độ sụt và cường độ nén yêu cầu: Chọn độ sụt ban đầu trước khi thêm PGSD từ 25 đến 50 mm. Cường độ nén yêu cầu được xác định theo công thức: $$f'_{cr} = 1,1 f'_c + 4,8 = 1,1 \times 70 + 4,8 = 81,8 \text{ MPa}$$
  2. Lựa chọn kích thước cốt liệu lớn: Do cường độ thiết kế lớn hơn 62 MPa, kích thước danh định lớn nhất chọn $D_{max} = 9,5 \text{ mm}$.
  3. Xác định lượng cốt liệu lớn: Với cát có mô đun độ mịn từ 2,5 đến 3,2 và $D_{max} = 9,5 \text{ mm}$, thể tích đá đầm chặt trong $1 \text{ m}^3$ bê tông là $V_đ = 0,65 \text{ m}^3$. Trọng lượng khô của đá dăm Kim Bảng là: $$Đ = 1.630 \times 0,65 = 1.060 \text{ kg/m}^3$$
  4. Ước tính hàm lượng nước và cuốn khí: Lượng nước gốc là 184 lít, thể tích khí cuốn là 2,5% (25 lít). Hiệu chỉnh lượng nước do độ rỗng cát $r_c = 36%$ (khác mức chuẩn 35%): $$N_{đc} = (36 - 35) \times 4,7 = 4,7 \text{ lít}$$ Tổng lượng nước ban đầu là $188,7 \text{ lít}$. Với việc sử dụng phụ gia siêu dẻo Sika Viscocrete 3000-20M giúp giảm 15% nước, lượng nước thực tế là: $$N = 188,7 \times (1 - 0,15) = 160,4 \text{ lít}$$
  5. Tính toán lượng chất kết dính: Tổng chất kết dính $CKD = X + SF + NS$. Với tỷ lệ $N/CKD = 0,26$, tổng lượng chất kết dính là $160,4 / 0,26 = 617 \text{ kg}$. Sau khi khống chế trần hàm lượng xi măng và muội silic không vượt quá $593 \text{ kg/m}^3$, lượng vật liệu được xác định: muội silic (8%) là $47,4 \text{ kg}$; nano silic (1,2%) là $7,1 \text{ kg}$; xi măng là $538,5 \text{ kg}$.
  6. Tính toán cốt liệu nhỏ: Thể tích đặc của cát được xác định theo nguyên lý thể tích tuyệt đối: $$V_{ac} = 1000 - \left( \frac{Đ}{\rho_đ} + \frac{X}{\rho_x} + \frac{SF}{\rho_{sf}} + \frac{NS}{\rho_{ns}} + N + V_{kk} \right)$$ Thay các thông số: $Đ = 1.060 \text{ kg}$ ($\rho_đ = 2,78$), $X = 538,5 \text{ kg}$ ($\rho_x = 3,1$), $SF = 47,4 \text{ kg}$ ($\rho_{sf} = 2,2$), $NS = 7,1 \text{ kg}$ ($\rho_{ns} = 2,2$), $N = 160,4 \text{ lít}$, $V_{kk} = 25 \text{ lít}$, khối lượng cát tính được là $C = 613 \text{ kg}$.
  7. Xác định hàm lượng phụ gia siêu dẻo: Đạt $7,1 \text{ lít/m}^3$.

Áp dụng quy trình trên kết hợp ma trận quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc 2, tác giả đã thiết lập bảng thành phần cho 9 cấp phối thực nghiệm:

STT Ký hiệu cấp phối Tỷ lệ N/CKD Đá (kg) Cát (kg) Nước (lít) Xi măng (kg) Muội silic (kg) Nano silic (kg) PGSD (lít)
1 C026-12NS 0,26 1.060 613 160,4 538,5 47,4 7,10 7,1
2 C026-20NS 0,26 1.060 590 160,4 555,3 49,4 12,34 7,4
3 C026-28NS 0,26 1.060 610 160,4 529,0 47,4 16,60 7,1
4 C030-12NS 0,30 1.060 664 160,4 485,8 42,8 6,40 6,4
5 C030-20NS 0,30 1.060 662 160,4 481,5 42,8 10,70 6,4
6 C030-28NS 0,30 1.060 661 160,4 477,2 42,8 15,00 6,4
7 C034-12NS 0,34 1.060 719 160,4 428,5 37,8 5,70 5,7
8 C034-20NS 0,34 1.060 717 160,4 424,8 37,8 9,44 5,7
9 C034-28NS 0,34 1.060 716 160,4 421,0 37,8 13,20 5,7

Chương 2 mô tả chi tiết phương pháp đúc, dưỡng hộ mẫu trụ và các thiết bị thí nghiệm kiểm tra cường độ chịu nén (ASTM C39) và đo điện lượng thấm ion clo (ASTM C1202, TCVN 9337 trên máy PROOVE'it).

Chương 3: Nghiên cứu kết cấu dầm chịu uốn sử dụng bê tông chất lượng cao muội silic-nano silic

Chương 3 trình bày các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết về khả năng chịu lực của kết cấu dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông chất lượng cao chứa muội silic và nano silic. Tác giả vận dụng các phương pháp tính toán dầm chịu uốn theo tiêu chuẩn ACI 318-14, kết hợp đối chứng với các kết quả thực nghiệm dầm chịu tải trọng uốn để xác định mô men nứt, độ võng, quá trình phát triển vết nứt và mô men uốn tới hạn ($M_u$). Kết quả kiểm chứng sự cải thiện về độ cứng chống uốn và khả năng chịu lực giới hạn của dầm khi sử dụng bê tông cấp 70 MPa có bổ sung phụ gia nano so với bê tông thông thường.

Chương 4: Ứng dụng bê tông chất lượng cao muội silic-nano silic

Chương 4 tập trung vào nội dung ứng dụng thực tế của cấp phối bê tông tối ưu vào kết cấu dầm chịu lực U38 sử dụng trong công trình cầu. Trên cơ sở số liệu thực nghiệm độ thấm ion clo thu được từ máy PROOVE'it và các thông số khuếch tán, tác giả áp dụng mô hình toán học dựa trên định luật Fick và chỉ dẫn Duracrete để tính toán dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép và tuổi thọ làm việc của kết cấu dầm cầu trong môi trường xâm thực biển, từ đó đánh giá hiệu quả kinh tế – kỹ thuật và độ bền lâu của công trình.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  • Luận án đã làm rõ cơ chế tương tác đồng thời giữa phụ gia muội silic (8%) và nano silic điều chế từ tro trấu trong ma trận xi măng pooclăng: sự kết hợp này tối ưu hóa cấu trúc cỡ hạt từ cấp độ nanomét đến micromét, thúc đẩy phản ứng pozzolanic chuyển đổi $Ca(OH)_2$ thành gel C-S-H độ cứng cao, làm đặc chắc vùng chuyển tiếp bề mặt (ITZ) và giảm thiểu hệ thống mao quản rỗng.
  • Xây dựng thành công mô hình toán học quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc hai thể hiện mối quan hệ định lượng giữa hai yếu tố công nghệ (tỷ lệ N/CKD từ 0,26 đến 0,34; hàm lượng nano silic từ 1,2% đến 2,8%) đối với hai chỉ tiêu mục tiêu là cường độ chịu nén 28 ngày và độ thấm ion clo của bê tông chất lượng cao cấp 70 MPa.
  • Cung cấp luận cứ khoa học và cơ sở dữ liệu thực nghiệm về ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông nano silic, phục vụ tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu công trình cầu ven biển theo tiêu chuẩn ACI 318-14 và mô hình khuếch tán clo Duracrete.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Lựa chọn thành công nguồn vật liệu địa phương (xi măng PC40 Bút Sơn, đá Kim Bảng, cát Sông Lô) kết hợp với phụ phẩm nông nghiệp (tro trấu) để chế tạo nano silic và muội silic, thiết kế thành công cấp phối bê tông chất lượng cao đạt cường độ nén 70 MPa có tính công tác tốt và khả năng kháng ion clo cao.
  • Việc tận dụng tro trấu để điều chế phụ gia nano silic thay thế nguồn hóa chất tinh khiết nhập khẩu giúp giảm chi phí sản xuất, giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam.
  • Ứng dụng thành công cấp phối bê tông tối ưu cho kết cấu dầm chịu lực U38, cung cấp giải pháp vật liệu có độ bền cao phục vụ xây dựng các công trình cầu vượt biển, cầu cảng, góp phần kéo dài tuổi thọ khai thác và giảm chi phí bảo trì, sửa chữa công trình.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Kiến nghị áp dụng quy trình trộn phân tán cưỡng bức nano silic bằng cối trộn tốc độ cao trong nước trước khi đưa vào mẻ trộn bê tông để đảm bảo các hạt nano phân tán đồng đều, tránh vón cục làm suy giảm tính năng cơ lý.
  • Đề xuất ứng dụng kết quả cấp phối bê tông muội silic – nano silic cấp 70 MPa vào các dự án giao thông ven biển và hải đảo theo quy hoạch hạ tầng đường bộ, đường thủy – cảng biển của Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của nghiên cứu:
    • Do điều kiện thực nghiệm, hàm lượng muội silic được cố định ở mức 8% tổng lượng chất kết dính cho mọi cấp phối dựa trên khuyến cáo tài liệu, chưa khảo sát tương tác biến thiên đồng thời đa mức của muội silic cùng với nano silic.
    • Phạm vi khảo sát thực nghiệm bị giới hạn ở 3 mức tỷ lệ N/CKD (0,26; 0,30; 0,34) và 3 mức hàm lượng nano silic (1,2%; 2,0%; 2,8%); đối tượng kết cấu ứng dụng cụ thể là dầm chịu lực U38.
    • Quy trình chế tạo nano silic từ tro trấu mới được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trung tâm Nghiên cứu Hóa học Ứng dụng, chưa đánh giá ở quy mô sản xuất công nghiệp đại trà.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Nghiên cứu mở rộng mô hình quy hoạch thực nghiệm với 3 hoặc nhiều biến độc lập, khảo sát sự thay đổi đồng thời của hàm lượng muội silic, tro bay và các loại nano khác.
    • Nghiên cứu các chỉ tiêu độ bền lâu dài khác như khả năng chống ăn mòn sunphat, phản ứng kiềm – cốt liệu, co ngót từ biến và khả năng chịu tải trọng mỏi của dầm bê tông nano silic trong điều kiện chu kỳ khô – ẩm thực tế ở biển Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Bản mô tả luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các nhóm đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Cung cấp quy trình áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box – Wilson trong thiết kế thành phần vật liệu composite xi măng; phương pháp luận nghiên cứu cấu trúc vi mô và cơ chế thủy hóa của bê tông chứa hạt nano.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Là tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế cấp phối HPC 9 bước theo tiêu chuẩn ACI 211.4R-08, phương pháp thử nghiệm thấm clo nhanh theo ASTM C1202 / TCVN 9337 trên thiết bị PROOVE'it, và phương pháp tính toán kiểm tra dầm chịu uốn theo ACI 318-14.
  • Kỹ sư thiết kế, tư vấn giám sát và cơ quan quản lý: Cung cấp giải pháp vật liệu bê tông cấp 70 MPa có độ bền cao chống xâm thực phục vụ thiết kế các kết cấu cầu vượt biển, bến cảng, công trình hạ tầng ven biển; phương pháp dự báo tuổi thọ kết cấu theo tiêu chuẩn độ bền.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vai trò kỹ thuật của việc bổ sung đồng thời muội silic (SF) và nano silic (NS) vào hỗn hợp bê tông là gì?
    Muội silic có kích thước trung bình khoảng $0,1 \mu\text{m}$, nhỏ hơn hạt xi măng khoảng 100 lần, giúp lấp đầy khoảng trống giữa các hạt xi măng. Hạt nano silic có kích thước nanomét tiếp tục lấp đầy các vi lỗ rỗng giữa xi măng và muội silic, tạo nên sự phân bố cỡ hạt liên tục từ thô đến cực mịn. Đồng thời, nano silic có hoạt tính pozzolanic rất cao, phản ứng với $Ca(OH)_2$ sinh ra từ quá trình thủy hóa để tạo thêm gel C-S-H độ cứng cao, triệt tiêu canxi hydroxit tự do, làm đặc chắc vùng chuyển tiếp bề mặt (ITZ) và giảm thiểu hệ thống mao quản dẫn clo.

  2. Nguồn gốc và quy trình xử lý phân tán nano silic trong luận án được tiến hành như thế nào?
    Nano silic trong nghiên cứu được chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp là tro trấu tại Trung tâm Nghiên cứu Hóa học Ứng dụng, Trường Đại học Thủy lợi, có khối lượng riêng $2,20 \text{ g/cm}^3$. Để tránh kết tụ hạt nano do diện tích bề mặt riêng lớn, nano silic được phân tán trước vào 50% tổng lượng nước trộn bằng máy trộn vữa tốc độ cao trong cối inox 5 lít chuyên dụng (chu kỳ hành trình đi 80 giây, hành trình về 60 giây) trước khi đưa vào trộn cùng hỗn hợp cốt liệu và xi măng.

  3. Bài toán quy hoạch thực nghiệm được thiết lập với các biến số nào để tối ưu hóa bê tông cấp 70 MPa?
    Nghiên cứu sử dụng kế hoạch Box – Wilson bậc hai trực giao hai yếu tố ($k=2$): yếu tố $X_1$ là tỷ lệ N/CKD (3 mức: 0,26; 0,30; 0,34) và yếu tố $X_2$ là hàm lượng nano silic (3 mức: 1,2%; 2,0%; 2,8% so với tổng lượng chất kết dính). Cố định hàm lượng muội silic ở mức 8% CKD. Hai hàm mục tiêu tối ưu hóa là cường độ chịu nén 28 ngày ($y_1$, đơn vị MPa) và tổng điện lượng thấm ion clo 6 giờ ($y_2$, đơn vị Culong) xác định trên 9 cấp phối thực nghiệm.

  4. Quy trình và thiết bị đánh giá độ thấm ion clo của bê tông trong nghiên cứu được thực hiện ra sao?
    Thí nghiệm được thực hiện ở tuổi 28 ngày theo tiêu chuẩn ASTM C1202 và TCVN 9337 trên máy PROOVE'it của hãng Germann Instruments. Mẫu thí nghiệm có kích thước đường kính 100 mm, dày 50 mm (cắt từ giữa mẫu trụ $100 \times 200 \text{ mm}$). Mẫu được đặt giữa hai ngăn dung dịch: $NaCl \text{ 3%}$ (cực âm) và $NaOH$ (cực dương), đặt dưới điện áp một chiều 60 V trong 6 giờ để đo tổng điện lượng $Q$ (Culong) truyền qua, từ đó phân loại cấp độ thẩm thấu ion clo.

  5. Luận án ứng dụng kết quả cấp phối tối ưu vào loại kết cấu cụ thể nào trong công trình giao thông?
    Cấp phối bê tông chất lượng cao tối ưu được luận án ứng dụng vào kết cấu dầm chịu lực U38 sử dụng trong công trình cầu vượt biển hoặc công trình ven biển chịu tác động trực tiếp của môi trường xâm thực mặn, kết hợp tính toán dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép và tuổi thọ công trình theo mô hình khuếch tán Fick và chỉ dẫn Duracrete.

Kết luận

Luận án đã giải quyết thành công bài toán thiết kế và chế tạo bê tông chất lượng cao cấp cường độ 70 MPa sử dụng đồng thời 8% muội silic và phụ gia nano silic điều chế từ tro trấu nông nghiệp thông qua phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc hai. Kết quả nghiên cứu làm sáng tỏ cơ chế làm đặc chắc cấu trúc vi mô, nâng cao cường độ chịu nén và cải thiện khả năng kháng thấm ion clo của bê tông trong môi trường xâm thực biển. Luận án cung cấp các thông số thực nghiệm đầy đủ từ cấp độ vật liệu, ứng xử uốn dầm bê tông cốt thép đến ứng dụng kết cấu dầm chịu lực U38 và dự báo tuổi thọ công trình cầu, đóng góp thiết thực cho sự phát triển kết cấu hạ tầng giao thông bền vững tại Việt Nam.