Luận án tiến sĩ nghiên cứu tính chất cơ học và đặc điểm phá hủy của bê tông cường độ cao sử dụng nano silica ứng dụng trong công trình cầu

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tính chất cơ học và đặc điểm phá hủy của bê tông cường độ cao sử dụng nano silica ứng dụng trong công trình cầu.

• Tác giả: Ngô Văn Thức
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Tiến Thành
• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất cơ học và đặc điểm phá hủy của bê tông cường độ cao sử dụng nano silica ứng dụng trong công trình cầu
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về bê tông cường độ cao và nano silica

Bê tông cường độ cao (BTCĐC) là vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi trong các công trình cầu do khả năng chịu lực và độ bền cao. Nano silica (NS) là vật liệu nano có kích thước siêu nhỏ, được ứng dụng để cải thiện tính chất cơ học và độ bền của bê tông. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích tính chất cơ học và đặc điểm phá hủy của BTCĐC khi sử dụng NS, đặc biệt trong các công trình cầu. Các hạt NS có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường phản ứng thủy hóa trong bê tông, từ đó cải thiện cường độ nén, độ bền kéo, và khả năng chống thấm. Việc ứng dụng công nghệ nano trong xây dựng đang trở thành xu hướng quan trọng, đặc biệt trong việc nâng cao hiệu quả của vật liệu xây dựng.

1.1. Ứng dụng của nano silica trong bê tông

Nano silica được sử dụng như một phụ gia trong bê tông để cải thiện tính chất vật lý và cơ học. Các hạt NS có kích thước nanomet giúp lấp đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông, tạo ra một cấu trúc đặc chắc hơn. Điều này dẫn đến việc tăng cường độ nén và độ bền kéo của bê tông. Ngoài ra, NS còn giúp giảm thiểu sự thẩm thấu của nước và các chất ăn mòn, từ đó nâng cao khả năng chống thấm và độ bền của bê tông trong môi trường khắc nghiệt. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng NS trong BTCĐC có thể cải thiện đáng kể tính năng bê tông, đặc biệt trong các công trình cầu chịu tải trọng lớn.

1.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu và ứng dụng nano silica trong vật liệu xây dựng đang được quan tâm. Các nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng NS từ các nguồn phế thải như tro trấu để sản xuất vật liệu nano. Một số đề tài nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng NS trong bê tông có thể cải thiện tính chất cơ học và độ bền của bê tông. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào bê tông thường, chưa khai thác hết tiềm năng của NS trong bê tông cường độ cao. Do đó, nghiên cứu này nhằm mục đích đánh giá hiệu quả của NS trong BTCĐC, đặc biệt trong các công trình cầu.

II. Tính chất cơ học của bê tông cường độ cao với nano silica

Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá tính chất cơ học của bê tông cường độ cao khi sử dụng nano silica. Các thí nghiệm được thực hiện để đo lường cường độ nén, độ bền kéo, và mô đun đàn hồi của bê tông. Kết quả cho thấy việc bổ sung NS vào BTCĐC giúp tăng đáng kể cường độ nén và độ bền kéo. Điều này là do các hạt NS lấp đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông, tạo ra một cấu trúc đặc chắc hơn. Ngoài ra, NS còn giúp cải thiện khả năng chống thấm của bê tông, từ đó nâng cao độ bền của bê tông trong môi trường khắc nghiệt.

2.1. Cường độ nén và độ bền kéo

Các thí nghiệm cường độ nén và độ bền kéo được thực hiện trên các mẫu bê tông có chứa NS. Kết quả cho thấy rằng việc bổ sung NS vào BTCĐC giúp tăng cường độ nén lên đến 20% so với bê tông không chứa NS. Điều này là do các hạt NS lấp đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông, tạo ra một cấu trúc đặc chắc hơn. Tương tự, độ bền kéo của bê tông cũng được cải thiện đáng kể khi sử dụng NS, giúp tăng khả năng chịu lực của bê tông trong các công trình cầu.

2.2. Mô đun đàn hồi và khả năng chống thấm

Nghiên cứu cũng đánh giá mô đun đàn hồi và khả năng chống thấm của BTCĐC khi sử dụng NS. Kết quả cho thấy rằng việc bổ sung NS giúp tăng mô đun đàn hồi của bê tông, từ đó cải thiện khả năng chịu lực và độ bền của bê tông. Ngoài ra, NS còn giúp giảm thiểu sự thẩm thấu của nước và các chất ăn mòn, từ đó nâng cao khả năng chống thấm của bê tông. Điều này đặc biệt quan trọng trong các công trình cầu chịu tải trọng lớn và môi trường khắc nghiệt.

III. Đặc điểm phá hủy của bê tông cường độ cao với nano silica

Nghiên cứu này cũng tập trung vào việc phân tích đặc điểm phá hủy của bê tông cường độ cao khi sử dụng nano silica. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá năng lượng phá hủy, chiều dài vết nứt, và độ mở rộng vết nứt của bê tông. Kết quả cho thấy rằng việc bổ sung NS vào BTCĐC giúp tăng năng lượng phá hủy, từ đó cải thiện khả năng chịu lực và độ bền của bê tông. Ngoài ra, NS còn giúp giảm thiểu sự lan truyền của các vết nứt, từ đó nâng cao độ bền của bê tông trong các công trình cầu.

3.1. Năng lượng phá hủy và chiều dài vết nứt

Các thí nghiệm năng lượng phá hủy và chiều dài vết nứt được thực hiện trên các mẫu bê tông có chứa NS. Kết quả cho thấy rằng việc bổ sung NS vào BTCĐC giúp tăng năng lượng phá hủy, từ đó cải thiện khả năng chịu lực và độ bền của bê tông. Ngoài ra, NS còn giúp giảm thiểu sự lan truyền của các vết nứt, từ đó nâng cao độ bền của bê tông trong các công trình cầu.

3.2. Độ mở rộng vết nứt và luật mềm hóa

Nghiên cứu cũng đánh giá độ mở rộng vết nứt và luật mềm hóa của BTCĐC khi sử dụng NS. Kết quả cho thấy rằng việc bổ sung NS giúp giảm thiểu độ mở rộng vết nứt, từ đó cải thiện khả năng chịu lực và độ bền của bê tông. Ngoài ra, NS còn giúp tăng cường luật mềm hóa của bê tông, từ đó nâng cao độ bền của bê tông trong các công trình cầu.

IV. Ứng dụng của bê tông cường độ cao với nano silica trong công trình cầu

Nghiên cứu này cũng tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của bê tông cường độ cao khi sử dụng nano silica trong các công trình cầu. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng NS trong BTCĐC giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ học và độ bền của bê tông, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của các công trình cầu. Ngoài ra, NS còn giúp giảm thiểu sự xuống cấp của bê tông trong môi trường khắc nghiệt, từ đó kéo dài tuổi thọ của các công trình cầu.

4.1. Hiệu quả kinh tế và kỹ thuật

Nghiên cứu đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của việc sử dụng NS trong BTCĐC trong các công trình cầu. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng NS giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ học và độ bền của bê tông, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của các công trình cầu. Ngoài ra, NS còn giúp giảm thiểu sự xuống cấp của bê tông trong môi trường khắc nghiệt, từ đó kéo dài tuổi thọ của các công trình cầu.

4.2. Ứng dụng trong vùng neo chịu tải cục bộ

Nghiên cứu cũng đánh giá hiệu quả của việc sử dụng NS trong BTCĐC trong các vùng neo chịu tải cục bộ của các công trình cầu. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng NS giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ học và độ bền của bê tông trong các vùng neo chịu tải cục bộ, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của các công trình cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề nghiên cứu Trong những năm gần đây, việc sử dụng vật liệu nano vào bê tông cường độ cao (BTCĐC) đã được ghi nhận, chúng có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học và độ bền của bê tông [31][80][91][110]. Sự kết hợp vật liệu nano vào hỗn hợp để cải thiện các tính chất cơ học bê tông đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn. Các hạt nano được đặc trưng bởi tỉ lệ diện tích bề mặt lớn và khả năng hoạt tính cao. Theo Sanchez và Sobolev [91], hạt silica ở kích thước nanomet giúp kích hoạt các phản ứng thủy hóa của xi măng và các phản ứng loại bỏ các thành phần kém bền trong bê tông Ca(OH)2 sinh ra các sản phẩm gel pozzolan có chất lượng tốt hơn.

Quá trình này làm cho bê tông có cấu trúc đặc chắc, phát triển cường độ sớm, tăng khả năng chịu nén, chịu kéo, chống thấm, chống ăn mòn. Hiện nay, vật liệu nano được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi cùng với việc chi phí sản xuất giảm với quy mô công nghiệp, việc sử dụng vật liệu nano đã nhận được sự thu hút đặc biệt để nghiên cứu chế tạo bê tông sử dụng trong nhiều kết cấu xây dựng [110]. Ở Việt Nam, công nghệ nano bắt đầu được quan tâm phát triển, điển hình là các chương trình hội thảo nghiên cứu sản xuất, ứng dụng nano silica (NS) từ vật liệu phế thải là tro trấu và các dự án đầu tư nhà máy sản xuất NS phục vụ ngành vật liệu xây dựng. Một số đề tài nghiên cứu khoa học, luận án tiến sĩ, thạc sĩ sử dụng vật liệu nano vào trong lĩnh vực xây dựng, sửa chữa công trình cầu đường đã được thực hiện với nhiều cơ sở lý thuyết và thực nghiệm [7][12][14][18].

Hầu hết các nghiên cứu đều cho thấy những mặt tích cực khi sử dụng vật liệu nano vào bê tông. Tuy nhiên, các nghiên cứu đa phần đều sử dụng vật liệu nano trong bê tông thường dẫn đến chưa phát huy hết tác dụng. Nhiều nhà nghiên cứu báo cáo hàm lượng nano silica tối ưu khác nhau cùng với một số ảnh hưởng bất thường cần chú ý trong các nghiên cứu xa hơn [39][88][92-93]. Hàm lượng sử dụng phù hợp của vật liệu nano cần phải được đánh giá khách quan theo các yếu tố kỹ thuật và dựa trên các cơ sở thực nghiệm.

2 Trong các công trình cầu, bê tông được sử dụng có cường độ cao và nhiều cấu kiện được tăng cường ứng suất trước, vì thế đặc điểm phá hủy của các kết cấu bê tông này thường rất dòn. Ngoài ra, nhiều kết cấu bê tông công trình cầu đang xuống cấp trầm trọng do sự ảnh hưởng của tải trọng nặng, tải trọng lặp cùng với các hiện tượng ăn mòn nghiêm trọng. Tổng hợp các yếu tố trên có thể dẫn đến các hiện tượng phá hủy đột ngột và nguy hiểm. Theo Mindess [72], hiện tại chúng ta đang bước vào thời kỳ có thể đưa cơ học phá hủy vào thiết kế và đánh giá kết cấu bê tông.

Điều này sẽ giúp đạt được mức an toàn toàn diện, đặc biệt đối với các kết cấu có kích thước khác nhau. Việc nghiên cứu đặc điểm phá hủy của bê tông cho phép chúng ta phân tích các ứng xử và trạng thái làm việc của kết cấu sau khi xuất hiện vết nứt. Khả năng chống lan truyền nứt và độ dự trữ cường độ sau nứt có thể được xác định dựa trên các phương pháp cơ học phá hủy. Nó sẽ giúp cải thiện tính kinh tế cũng như độ tin cậy của kết cấu.

Các ứng dụng của cơ học phá hủy mang tính cấp thiết cho kết cấu các công trình như đập bê tông, cầu vượt nhịp lớn, và các lò phản ứng hoặc các bể chứa lò phản ứng hạt nhân, mà yêu cầu về an toàn đặc biệt cao và có nguy cơ gây ra thảm họa rất lớn. Theo Van Mier [102], bê tông trong quá trình đông kết chắc chắn sẽ xuất hiện các vết nứt siêu nhỏ bên trong, chúng sẽ phát triển và được kết nối với nhau để tạo thành một số vết nứt rõ rệt bởi nhiệt độ và tải trọng thay đổi trong quá trình vận hành. Với sự lan truyền của các vết nứt, phá hủy có thể xảy ra đối với các kết cấu bê tông. Việc xem xét ảnh hưởng của các hạt khoáng siêu mịn kích thước nanomet đến đặc điểm phá hủy, sự lan truyền vết nứt, độ dự trữ cường độ trong quá trình phá hủy là một trong những nội dung nghiên cứu để làm cơ sở áp dụng hiệu quả các tính năng của bê tông.

Bên cạnh đó, sự xuất hiện của vật liệu mới như bê tông sử dụng vật liệu nano với nhiều tính năng ưu việt đòi hỏi phải nghiên cứu các đặc tính đặc biệt như độ bền và đặc điểm phá hủy để khai thác một cách hiệu quả các tính chất của vật liệu cho mục đích an toàn và kinh tế. Từ những vấn đề được phân tích như trên, đề tài “Nghiên cứu tính chất cơ học và đặc điểm phá hủy của bê tông cường độ cao sử dụng nano silica ứng 3 dụng trong công trình cầu” được nghiên cứu sinh lựa chọn nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định được thành phần cấp phối BTCĐC sử dụng nano silica. - Đánh giá sự ảnh hưởng của NS đến một số tính chất cơ học chủ yếu của BTCĐC.

- Thực nghiệm xác định các tham số và đặc điểm phá hủy của BTCĐC. - Ứng dụng kết quả thí nghiệm cơ học phá hủy tính toán sức kháng lan truyền nứt và độ dự trữ cường độ sau nứt của BTCĐC sử dụng NS. - Nghiên cứu ứng dụng BTCĐC sử dụng NS trong kết cấu công trình cầu. Đối tượng nghiên cứu - Nano silica và ảnh hưởng của nano silica đến các tính chất cơ học chủ yếu và đặc điểm phá hủy của kết cấu BTCĐC trong công trình cầu.

Phạm vi nghiên cứu * Phạm vi nghiên cứu về vật liệu: Nano silica và thành phần chế tạo BTCĐC ứng dụng trong kết cấu cầu. * Phạm vi nghiên cứu về các tính chất cơ học: Các tính chất cơ học chủ yếu của BTCĐC sử dụng NS ứng dụng trong kết cấu cầu (cường độ nén, cường độ kéo khi uốn, mô đun đàn hồi). * Phạm vi nghiên cứu về cơ học phá hủy: Đặc điểm phá hủy của BTCĐC sử dụng NS ứng dụng trong kết cấu cầu. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở kế thừa, phân tích tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề liên quan bê tông sử dụng nano silica và cơ học phá hủy.

Thí nghiệm các tính năng cơ học chủ yếu và đặc điểm phá hủy của bê tông cường độ cao sử dụng nano silica. Thí nghiệm cơ học phá hủy được tiến thông 4 qua phương pháp uốn ba điểm mẫu dầm có rãnh mồi. Các thí nghiệm được tiến hành dựa trên các thiết bị tin cậy ở các phòng thí nghiệm ở Việt Nam. Sử dụng phương pháp thống kê để phân tích kết quả thí nghiệm, đảm bảo độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích ứng xử cục bộ của kết cấu cầu bê tông cường độ cao sử dụng nano silica. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu * Ý nghĩa khoa học: Chứng minh được khả năng sử dụng nano silica trong hỗn hợp BTCĐC với điều kiện công nghệ và thiết bị ở Việt Nam. Phân tích ảnh hưởng của nano silica đến các tính chất cơ học và đặc điểm phá hủy của BTCĐC. Xác định được sức kháng lan truyền nứt và độ dự trữ cường độ sau nứt BTCĐC sử dụng nano silica.

Đánh giá khả năng ứng dụng BTCĐC sử dụng nano silica vào kết cấu công trình cầu. * Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu phương pháp chế tạo BTCĐC sử dụng NS, một loại vật liệu khoáng có tiềm năng sản xuất ở Việt Nam từ vật liệu tro trấu. Các tính chất cơ học và đặc điểm phá hủy của BTCĐC sử dụng NS được xác định là cơ sở khoa học để ứng dụng vật liệu trong kết cấu công trình cầu. Khả năng chống lan truyền nứt và độ dự trữ cường độ của BTCĐC được cải thiện khi sử dụng NS, đặc điểm này có thể áp dụng trong các kết cấu cầu thường xuất hiện vết nứt.

TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG SỬ DỤNG NANO SILCIA VÀ PHÁ HỦY TRONG BÊ TÔNG 1. Giới thiệu về ứng dụng công nghệ nano trong bê tông Khái niệm về công nghệ nano được nhắc đến năm 1960 khi nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử [44]. Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét SPM và STM có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Công nghệ nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, làm tăng và tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giảm kích thước của các thiết bị đến kích thước cực nhỏ.

Công nghệ nano giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường. Theo Sobolev and Sanchez [91], áp dụng công nghệ nano đã tạo nên những đột phá trong nhiều lĩnh vực như y tế, năng lượng, sinh học, công nghệ thông tin, điện tử, vật liệu và nhiều lĩnh vực quan trọng khác. Công nghệ nano là các công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo, ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước ở quy mô nanomet (10-9m). Vật liệu nano có thể được định nghĩa là các hạt có kích thước trong khoảng từ 1nm đến 100nm.

Hạt nano tồn tại trong các khu vực chuyển tiếp từ cụm nguyên tử sang vật chất vĩ mô với tỷ lệ bề mặt đặc trưng cao, bao gồm hạt nano kim loại, nano phi kim loại, nano hữu cơ, nano vô cơ và hạt nano sinh học [110]. Báo cáo của RILEM 197-NCM về công nghệ nano trong vật liệu xây dựng là tài liệu đầu tiên nhấn mạnh tiềm năng của công nghệ nano về phát triển vật liệu xây dựng [114]. Công nghệ nano ứng dụng được ứng trong ngành vật liệu xây dựng với số lượng đáng kể nhằm chế tạo các loại vật liệu như bê tông, sơn, kính, thép, composite,… (Hình 1.