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.