Luận án tiến sĩ nghiên cứu vật liệu nano sio2 điều chế từ tro trấu và silica fume làm phụ gia cho bê tông xi măng trong xây dựng đường ô tô khu vực miền tây nam bộ

Luận án tiến sĩ nghiên cứu vật liệu nano SiO2 từ tro trấu và silica fume làm phụ gia bê tông xi măng, ứng dụng xây dựng đường ô tô khu vực Tây Nam Bộ.

• Tác giả: Trần Hữu Bằng
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Văn Bách
• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Vật liệu xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu vật liệu nano SiO2 từ tro trấu và silica fume làm phụ gia bê tông xi măng cho xây dựng đường ô tô miền Tây Nam Bộ
• Loại tài liệu: luận án
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nano SiO2 và silica fume

Vật liệu nano đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ vật liệu, đặc biệt là trong việc cải thiện tính chất của bê tông xi măng. SiO2 và silica fume là hai loại phụ gia được sử dụng rộng rãi để nâng cao độ bền và tính năng của bê tông. Tro trấu, một nguồn nguyên liệu dồi dào ở miền Tây Nam Bộ, được nghiên cứu để điều chế nano SiO2, mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường. Silica fume, một phụ gia khoáng, cũng được sử dụng để tăng cường độ và độ bền của bê tông. Nghiên cứu này tập trung vào việc kết hợp hai loại phụ gia này để tối ưu hóa tính năng của bê tông xi măng trong xây dựng đường ô tô.

1.1. Ứng dụng vật liệu nano trong bê tông

Vật liệu nano đã được chứng minh là có khả năng cải thiện đáng kể các tính chất cơ học và độ bền của bê tông xi măng. Nano SiO2 có kích thước hạt siêu nhỏ, giúp lấp đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông, từ đó tăng cường độ nén và độ kéo uốn. Silica fume, với hàm lượng silica cao, cũng góp phần tăng cường độ và giảm độ thấm nước của bê tông. Nghiên cứu này khám phá khả năng kết hợp hai loại phụ gia này để tạo ra bê tông xi măng có tính năng vượt trội, phù hợp với điều kiện khí hậu và địa chất của miền Tây Nam Bộ.

1.2. Nguồn nguyên liệu và quy trình điều chế

Tro trấu, một phế phẩm nông nghiệp, được sử dụng làm nguyên liệu chính để điều chế nano SiO2. Quy trình điều chế bao gồm các bước xử lý nhiệt và hóa học để tách silica từ tro trấu và tạo ra các hạt nano có kích thước đồng đều. Silica fume được thu thập từ các nhà máy sản xuất hợp kim silic, có hàm lượng silica lên đến 90%. Nghiên cứu này cũng đề cập đến các phương pháp phân tán và kết hợp hai loại phụ gia này trong hỗn hợp bê tông, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả cao nhất.

II. Nghiên cứu thực nghiệm phụ gia nano SiO2 và silica fume

Nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của phụ gia nano SiO2 và silica fume trong việc cải thiện các tính chất cơ học và độ bền của bê tông xi măng. Các thí nghiệm được thực hiện trên các mẫu bê tông có tỷ lệ phụ gia khác nhau, từ đó xác định tỷ lệ tối ưu để đạt được cường độ nén và kéo uốn cao nhất. Kết quả cho thấy, việc sử dụng kết hợp hai loại phụ gia này giúp tăng cường độ nén lên đến 40% và cải thiện đáng kể độ bền của bê tông trong điều kiện khắc nghiệt.

2.1. Thiết kế thành phần bê tông

Thiết kế thành phần bê tông được thực hiện theo phương pháp ACI 211, với các tỷ lệ nano SiO2 và silica fume được điều chỉnh để đạt được cường độ nén và kéo uốn tối ưu. Các mẫu bê tông được đúc và bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn, sau đó được thử nghiệm để xác định các chỉ tiêu cơ học. Kết quả cho thấy, tỷ lệ phụ gia 2% nano SiO2 và 10% silica fume mang lại hiệu quả cao nhất, với cường độ nén đạt 40 MPa và cường độ kéo uốn đạt 5 MPa.

2.2. Đánh giá tính chất cơ học

Các thí nghiệm cường độ nén và kéo uốn được thực hiện trên các mẫu bê tông ở các ngày tuổi khác nhau (7, 14, 28 ngày). Kết quả cho thấy, bê tông xi măng có sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica fume đạt cường độ nén cao hơn so với bê tông thông thường. Ngoài ra, các thí nghiệm mô đun đàn hồi và độ mài mòn cũng cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ bền và khả năng chịu tải của bê tông. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng của vật liệu nano trong xây dựng đường ô tô tại miền Tây Nam Bộ.

III. Ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica fume

Nghiên cứu này đề xuất việc ứng dụng bê tông xi măng có sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica fume trong xây dựng đường ô tô tại miền Tây Nam Bộ. Với các tính chất cơ học vượt trội, loại bê tông này có khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, độ ẩm lớn và tải trọng giao thông nặng. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp thiết kế kết cấu mặt đường phù hợp với quy mô giao thông và điều kiện địa chất của khu vực, nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng và tuổi thọ của công trình.

3.1. Thiết kế kết cấu mặt đường

Thiết kế kết cấu mặt đường được thực hiện dựa trên các yêu cầu về cường độ, độ bền và khả năng chịu tải của bê tông xi măng. Các giải pháp thiết kế bao gồm việc sử dụng các tấm bê tông có khe nối, bê tông cốt thép liên tục và các lớp móng phù hợp với quy mô giao thông. Nghiên cứu cũng đề xuất việc sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica fume để tăng cường độ bền và giảm thiểu các vấn đề như co ngót và nứt vỡ trong quá trình sử dụng.

3.2. Đề xuất ứng dụng thực tế

Nghiên cứu đề xuất việc ứng dụng bê tông xi măng có sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica fume trong các dự án xây dựng đường ô tô tại miền Tây Nam Bộ. Các dự án thí điểm được thực hiện trên các tuyến đường có quy mô giao thông khác nhau, từ đó đánh giá hiệu quả thực tế và điều chỉnh các giải pháp thiết kế. Kết quả cho thấy, loại bê tông này không chỉ đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật mà còn mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường, góp phần phát triển bền vững khu vực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO SiO2 VÀ SILICA FUME LÀM PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ Trong phần tổng quan trình bày các quy định chung đối với vật liệu BTXM làm mặt đường ô tô; khái quát về BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và phụ gia silica Fume, ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến các đặc tính của bê tông và các công trình nghiên cứu ứng dụng BTXM sử dụng hai loại phụ gia này trên thế giới và Việt Nam.1 Tổng quan về vật liệu nano và ứng dụng vật liệu nano trong bê tông 1.1 Định nghĩa vật liệu nano Công nghệ và vật liệu nano ngày nay không chỉ còn trong phòng thí nghiệm mà đã thâm nhập vào mọi lĩnh vực của đời sống, từ công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng đến những ngành chủ chốt khác như: Công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu, công nghệ y sinh. Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang và sẽ cần đến nhiều nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực Công nghệ, vật liệu nano để nâng cao đời sống xã hội. Vật liệu nano có thể được định nghĩa một cách khái quát là loại vật liệu mà trong cấu trúc của các thành phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích thước nanomet. Theo Viện hàn lâm hoàng gia Anh quốc thì : + Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử.

Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn. + Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét.2 Phân loại vật liệu nano - Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. - Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: + Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano); Ví dụ: Đám nano, Hạt nano.1 - Vật liệu nano không chiều C60 được các nhà khoa học Đức tìm ra bằng cách nén các ống Cacbon tí hon với nhau.

Những phân tử Cacbon này gồm 60 nguyên tử được cài vào nhau thành hình ngũ giác và lục giác như quả bóng tí hon. + Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano ví dụ dây nano, ống nano,.2 - Vật liệu nano một chiều Ống nano (Cacbon Nano Tube-CNT) được giáo sư người Nhật Symio Ildzima tìm ra vào năm 1991. CNT- là phân tử từ hơn một chiều nguyên tử cac-bon, chúng là ống có đường kính cỡ nm và chiều dài cỡ vài chục micro mét. CNT nhỏ hơn tóc 100 lần nhưng bền hơn 50-100 lần thép, tỉ trọng bé hơn thép 6 lần.

Một sợi chỉ đường kính 1nm bằng CNT có thể treo vật nặng 20 tấn. Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do ví dụ: màng mỏng,.3 - Vật liệu nano 2 chiều 8 - Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nano mét, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.2 Nghiên cứu ứng dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume cho bê tông xi măng 1.1 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume trên thế giới 1.1 Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano SiO2 vào trong bê tông Bê tông là một loại vật liệu composite. CHS là một thành phần rất quan trọng nó quyết định tính năng của bê tông, bản thân nó cũng là một vật liệu nano, cùng với các mao mạch và thể tích nước lấp đầy ở kích thước nano. Như là một kết quả, sự vận động ở cấp độ nano trong bê tông có thể dẫn đến các tác động quan trọng đến tính chất của bê tông ở cấp độ vĩ mô.

Nói một cách khác những thay đổi ở cấp độ nano ảnh hưởng đến tính chất của công trình sử dụng vật liệu khối [57]. Sự cải thiện cấp độ nano của bê tông có thể được thực hiện thông qua sự tích hợp của vật liệu nano dạng hạt hoặc ống nano vào trong bê tông, điều này giúp nâng cao nhiều tính năng của bê tông. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng có những khả năng cải tiến các tính năng của bê tông thông qua sự tích hợp một vài vật liệu nano bao gồm nano SiO2, nano TiO2, nano Fe2O3, nano Al2O3, các lớp nano như là ống nano Carbon (CNT) với tỉ lệ phù hợp và phương pháp trộn để phân tán phù hợp với từng loại. Luận án tập trung vào những tác động tiềm năng của nano SiO2 đến bê tông.

Khi so sánh với các vật liệu nano khác như ống nano Carbon (CNT) và nano TiO2 nano SiO2 là một vật 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. Mặt khác, muội silic là một dạng khác của silica, được sử dụng trong ngành công nghiệp xây dựng ở quy mô lớn để sản xuất bê tông tính năng cao hiện nay. 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 SiO2 trong ngành công nghiệp xây dựng là cao hơn nhiều so với các vật liệu nano khác.4 dưới đây cho thấy sự phân bố kích thước hạt có trong bê tông thông thường so với các bê tông HPC/HSC và bê tông thiết kế có chứa nano SiO2 [66].

HPC/HSC là kết quả của sự cải tiến cấu trúc đá xi măng đã thủy hóa thông qua sự tích hợp muội silic 9 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.4 cũng cho thấy phạm vi mà bê tông với thiết kế nano, có thể thấy rằng các hạt nano SiO2 có một diện tích bề mặt rất cao, làm tăng phạm vi của sự phân bố kích thước hạt của bê tông lên đến cấp độ khoảng 5nm .4 - Sự tương quan giữa kích thước hạt và diện tích bề mặt trong bê tông Muội silic (silica Fume) là một sản phẩm phụ của sản xuất Silicon và thép hợp kim silicon. Mức độ tinh khiết của muội silic có thể phụ thuộc vào nguồn gốc của nó, do đó, ảnh hưởng của nó trên bê tông có thể khác nhau. Một yếu tố quan trọng là kích thước hạt của muội silic cũng phụ thuộc vào các nhà sản xuất và phương pháp sản xuất, thường có đường kính trung bình 10nm. Ngược lại với muội silic, nano SiO2 không phải là một sản phẩm phụ công nghiệp.

Nó được sản xuất trong điều kiện đặc biệt làm nano SiO2 có độ tinh khiết cao và phạm vi đường kính được xác định rõ cho các hạt (thông thường trong vòng 10-50nm). Nano SiO2 có thể thu được ở dạng bột hoặc trong một dung dịch keo. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng nano SiO2 và muội SiO2 có hoạt tính khác nhau và sản xuất các sản phẩm hydrat hóa khác nhau. Như đã đề cập ở trên các loại bê tông tính năng cao (HPC) là sự cải tiến cấu trúc của hồ xi măng đã được thủy hóa thông qua sự tích hợp muội silic vào bê tông truyền thống.

Muội silic là loại vật liệu pozơlan, nó có khả năng phản ứng với CH tạo ra trong quá trình thủy hóa xi măng để tạo ra CHS nhiều hơn. Nhưng phản ứng của muội silic rất chậm ở tuổi sớm.al [70] đã nghiên cứu các mô hình nhiễu xạ tia X của muội silic trong môi trường Ca(OH)2 bão hòa và đã kết luận rằng chỉ có những thay đổi nhỏ 10 trong các mẫu 7 ngày, và sự hình thành CHS một cách rộng rãi chỉ bắt đầu từ 120 ngày. Theo Li [68] lượng muội silic phản ứng chậm, sau 90 ngày chỉ là 75%. Sự ảnh hưởng của nano SiO2 đến tính chất đông cứng được chỉ ra bởi Ye et.

Kết quả khi so sánh giữa tính năng của đá xi măng nano SiO2 với tính năng của đá xi măng sử dụng muội silic là tốt hơn. Đá xi măng được thay thế bởi nano SiO2 với hàm lượng 1%, 2%, 3%, 5% được so sánh với tính năng của đá xi măng thay thế bởi muội silic 2%, 3%, và 5%. Đá xi măng được thay thế 5% nano SiO2 gia tăng cường độ so với không có nano SiO2 lần lượt là 8%, 41%,25% và 15% tại 1 ngày, 3 ngày, 28 ngày và 60 ngày sau khi quá trình thủy hóa bắt đầu. Tính năng của đá xi măng sử dụng muội silic với hàm lượng tương ứng thì thấp hơn đặc biệt là ở tuổi sớm.

Hơn nữa, cường độ kéo uốn của đá xi măng sử dụng nano được thấy là cao hơn so với mẫu đối chứng và so với cả mẫu vữa sử dụng muội silic. Ye [87] cũng đã nghiên cứu dưới kính hiển vi bề mặt của hỗn hợp vữa-cốt liệu. Thấy rằng kích thước lớn nhất của tinh thể hạt CH trong các mẫu giảm từ 10µm ( mẫu vữa đối chứng) xuống còn 4 µm (mẫu vứa với 3% nano silica). Kích thước tinh thể CH của mẫu với 3% muội silic là 7 µm.

Như vậy có thể kết luận được rằng nano SiO2 làm giảm tinh thể CH trên tại bề mặt hiệu quả hơn muội silic, và phản ứng puzơlan của nano SiO2 mạnh mẽ hơn. Một vài các nghiên cứu khác cũng chỉ ra sự gia tăng đặc tính cường độ của vật liệu sử dụng xi măng khi sử dụng nano SiO2 như là vật liệu thay thế xi măng, và các tính năng đều cao hơn khi so sánh với sử dụng muội silic [63][69]. Nghiên cứu của Jo [63] đã cho thấy cường độ chịu nén của vữa gia tăng đáng kể với chất phụ gia nano SiO2 so với muội silic.al [68] đã tiến hành các thí nghiệm về ảnh hưởng của các hạt nano với đá xi măng và báo cáo rằng cường độ chịu nén và chịu uốn có thể tăng. Thông qua phân tích dưới kính hiển vi SEM của các mẫu đá xi măng, đã đưa đến kết luận rằng nano SiO2 cải thiện được cấu trúc vi mô của đá xi măng.

Những hình ảnh này cho thấy rằng các cụm CHS đứng riêng lẻ trong cấu trúc và được kết nối bằng các hydrates hình kim.