Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:171

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về nghiên cứu bê tông muội silic-nano silic; Vật liệu và quy hoạch thực nghiệm bê tông chất lượng cao muội silic-nano silic; Nghiên cứu kết cấu dầm chịu uốn sử dụng bê tông chất lượng cao muội silic-nano silic; Ứng dụng bê tông chất lượng cao muội silic-nano silic.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LÊ HỒNG LAM NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO SỬ DỤNG MUỘI SILIC VÀ NANO SILIC CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU TRONG MÔI TRƯỜNG XÂM THỰC LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội, 08 - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LÊ HỒNG LAM NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO SỬ DỤNG MUỘI SILIC VÀ NANO SILIC CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU TRONG MÔI TRƯỜNG XÂM THỰC NGÀNH : Kỹ thuật Xây dựng Công trình Đặc biệt MÃ SỐ : 958.02.06 LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. ĐÀO DUY LÂM GS.TS. PHẠM DUY HỮU Hà Nội, 08 - 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Lê Hồng Lam
LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của quý thầy cô, Trường Đại học Giao thông vận tải, tôi đã hoàn thành luận án tiến sĩ kỹ thuật: “NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO SỬ DỤNG MUỘI SILIC VÀ NANO SILIC CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU TRONG MÔI TRƯỜNG XÂM THỰC”. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng đào tạo Sau đại học, Khoa Công trình, Bộ môn, các cán bộ và toàn thể quý thầy cô tham gia giảng dạy đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án. Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, đến quý thầy hướng dẫn GS.TS. Phạm Duy Hữu và PGS.TS. Đào Duy Lâm đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Tôi xin gởi lời cảm ơn đến Trung tâm Nghiên cứu Hóa học Ứng dụng-Trường Đại học Thủy lợi đã hỗ trợ trong chế tạo vật liệu Nano silic để thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh đã giúp đỡ và chỉ dẫn trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Giao thông vận tải TP.HCM và bộ môn Cầu đường đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Xin cảm ơn quý Giáo sư, nhà khoa học, chuyên gia trong và ngoài trường, quý thầy cô và các đồng nghiệp, đã đóng góp nhiều ý kiến thiết thực để tác giả hoàn thiện luận án. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án Lê Hồng Lam
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................................................ 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG MUỘI SILIC-NANO SILIC .......4 1.1. Tổng quan bê tông chất lượng cao sử dụng vật liệu Nano .................................................4 1.2. Ảnh hưởng nano silic đến tính chất bê tông .......................................................................6 1.2.1. Tính năng cơ học của bê tông ....................................................................................... 7 1.2.2. Tính công tác của cấp phối bê tông ............................................................................... 8 1.2.3. Tính chất ảnh hưởng đến độ bền bê tông ...................................................................... 9 1.3. Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic ..............................12 1.3.1. Các nghiên cứu bê tông sử dụng phụ gia muội silic ................................................... 12 1.3.2. Nghiên cứu bê tông xi măng có phụ gia nano silic trên thế giới ................................. 13 1.3.3. Nghiên cứu bê tông xi măng có phụ gia nano silic trong nước................................... 18 1.4. Nghiên cứu kết cấu sử dụng bê tông nano silic và độ bền bê tông...................................19 1.4.1. Nghiên cứu kết cấu và độ bền bê tông chất lượng cao sử dụng nano silic ................. 19 1.4.2. Độ bền bê tông chất lượng cao và xâm nhập ion clo .................................................. 21 1.5. Kết luận chương 1 ............................................................................................................24 VẬT LIỆU VÀ QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO MUỘI SILIC-NANO SILIC ..................................................................................................26 2.1. Lựa chọn vật liệu nghiên cứu ...........................................................................................26 2.1.1. Xi măng ....................................................................................................................... 26 2.1.2. Muội silic và nano silic ............................................................................................... 26 2.1.3. Cốt liệu lớn .................................................................................................................. 29 2.1.4. Cốt liệu nhỏ ................................................................................................................. 31 2.1.5. Phụ gia hóa học ........................................................................................................... 33 2.1.6. Nước ............................................................................................................................ 33 2.2. Quy hoạch thực nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ N/CKD và hàm lượng Nano silic đến cường độ nén và độ thấm ion clo ..................................................................................................................34 2.2.1. Chọn thông số nghiên cứu ........................................................................................... 34 2.2.2. Lập kế hoạch thực nghiệm tương quan giữa mã thực và biến mã hóa ........................ 35 2.2.3. Thiết kế cấp phối bê tông xi măng theo Tiêu chuẩn ACI211.4R-08 .......................... 37 2.2.4. Trộn bê tông ................................................................................................................ 43 2.2.5. Kiểm tra độ sụt ............................................................................................................ 44 2.2.6. Chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử.................................................................................... 44 2.2.7. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén ..................................................................... 45 2.2.8. Thí nghiệm độ thấm ion clo ........................................................................................ 46 2.3. Thực nghiệm thiết kế thành phần bê tông xi măng- muội silic- nano silic ......................47 2.4. Kết quả thực nghiệm tính chất bê tông .............................................................................51 2.4.1. Độ sụt của các cấp phối bê tông .................................................................................. 51 2.4.2. Cường độ nén của các cấp phối bê tông ...................................................................... 51 2.4.3. Độ thấm Ion Clo bằng phương pháp thấm nhanh ....................................................... 51 2.5. Tính toán theo quy hoạch thực nghiệm ............................................................................52 2.5.1. Hàm mục tiêu .............................................................................................................. 52 2.5.2. Yếu tố ảnh hưởng ........................................................................................................ 52 2.6. Thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý của bê tông muội silic nano silic theo cấp phối tối ưu theo quy hoạch thực nghiệm ....................................................................................................58 i
2.6.1. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông theo thời gian .......................... 59 2.6.2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo uốn bê tông 28 ngày tuổi ............................ 59 2.6.3. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi .......................................................................... 60 2.7. Kết luận chương 2 ............................................................................................................62 NGHIÊN CỨU KẾT CẤU DẦM CHỊU UỐN SỬ DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO MUỘI SILIC-NANO SILIC ...................................................................................65 3.1. Cơ sở nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép với bê tông cường độ cao 65 3.1.1. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 65 3.1.2. Cơ sở xác định mô men tới hạn theo tiêu chuẩn ACI318-14 cho cấu kiện chịu uốn cốt thép đơn tiết diện chữ nhật ........................................................................................................... 65 3.1.3. Xây dựng quan hệ giữa mô men và góc xoay trong dầm chịu uốn ............................. 68 3.2. Thí nghiệm dầm và thu thập số liệu .................................................................................73 3.2.1. Chuẩn bị mẫu dầm thí nghiệm .................................................................................... 73 3.2.2. Sản xuất mẫu dầm thí nghiệm ..................................................................................... 74 3.3. Phương pháp và trình tự thí nghiệm dầm .........................................................................75 3.3.1. Thiết bị thí nghiệm ...................................................................................................... 75 3.3.2. Quá trình thí nghiệm ................................................................................................... 76 3.4. Thu thập kết quả thí nghiệm dầm .....................................................................................77 3.5. Biểu đồ tải trọng và độ võng ............................................................................................77 3.6. Nhận xét ............................................................................................................................79 3.7. Tính toán mô men tới hạn theo lý thuyết và kết quả thực nghiệm ...................................80 3.7.1. Xác định mô men tới hạn uốn theo ACI318 ............................................................... 80 3.7.2. Tính toán mô men tới hạn Mu với các tiêu chuẩn khác ............................................... 80 3.7.3. Xác định mô men tới hạn của dầm theo kết quả thí nghiệm ....................................... 81 3.7.4. So sánh kết quả xác định mô men tới hạn theo thực nghiệm và các tiêu chuẩn liên quan 82 3.7.5. Nhận xét ...................................................................................................................... 83 3.8. Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán sức kháng theo thực nghiệm có xét đến vùng chịu kéo của bê tông..............................................................................................................................83 3.8.1. Xây dựng cơ sở lý thuyết xác định chiều cao vùng tham gia chịu kéo của bê tông ... 83 3.8.2. Xây dựng phương trình quan hệ giữa x và a ............................................................... 85 3.8.3. Nhận xét ...................................................................................................................... 88 3.9. Xây dựng đường cong quan hệ mô men và góc xoay ......................................................88 3.9.1. Xây dựng đường quan hệ mô men và góc xoay lý thuyết ........................................... 88 3.9.2. Xác định mô men tới hạn và góc xoay theo công thức thực nghiệm có xét đến vùng bê tông chịu kéo ................................................................................................................................ 91 3.9.3. Giá trị góc xoay thực nghiệm ...................................................................................... 92 3.9.4. Biểu đồ góc xoay thực nghiệm và lý thuyết ................................................................ 93 3.9.5. Tính dẻo của dầm nghiên cứu ..................................................................................... 96 3.9.6. Nhận xét ...................................................................................................................... 97 3.10. Kết luận chương 3 ............................................................................................................97 ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO MUỘI SILIC-NANO SILIC ...99 4.1. Kết cấu dầm chịu uốn U38m ............................................................................................99 4.1.1. Mô tả mặt cắt ngang dầm nghiên cứu ......................................................................... 99 4.1.2. Kích thước, các đặc trưng hình học và bố trí cáp ...................................................... 100 ii
4.1.3. Kích thước và các đặc trưng hình học mặt cắt ngang của dầm ................................. 100 4.1.4. Nội dung và kết quả tính toán ................................................................................... 101 4.1.5. Nhận xét .................................................................................................................... 102 4.2. Tính toán dự báo tuổi thọ của kết cấu vùng biển do ăn mòn clo ....................................102 4.2.1. Cơ sở tính toán thiết kế kết cấu theo độ bền theo tiêu chuẩn TCVN 12041:2017 .... 102 4.2.2. Mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông do ăn mòn clo ........................................... 103 4.2.3. Tính toán tuổi thọ kết cấu sử dụng bê tông chất lượng cao nano silic theo yêu cầu TCVN12041-2017 ..................................................................................................................... 107 4.2.4. Nhận xét .................................................................................................................... 109 4.3. Kết luận chương 4 ..........................................................................................................110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................................ 111 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.......................................................... 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................. 115 PHỤ LỤC 1 …………………………………………………………………………………......124 PHỤ LỤC 2 …………………………………………………………………………………......127 PHỤ LỤC 3 …………………………………………………………………………………......130 PHỤ LỤC 4 …………………………………………………………………………………......145 iii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1. Kết quả thu được bởi Mondal và cộng sự [82] .................................................................. 8 Bảng 1-2. Kết quả thí nghiệm thấm với bê tông xi măng có nano silic [65] .................................... 10 Bảng 1-3. Một số kết quả nghiên cứu về nano silic trên thế giới và tại Việt Nam ........................... 19 Bảng 1-4. Kết quả thực nghiệm nghiên cứu ứng xử uốn của dầm theo T.S. Mustafa [112] ............ 20 Bảng 1-5. Kết quả thực nghiệm nghiên cứu ứng xử uốn của dầm theo J. Sridhar [62] .................... 21 Bảng 1-6. Ảnh hưởng nano silic đến kết quả đo điện lượng nghiên cứu [1] .................................... 23 Bảng 2-1. Các tính chất cơ lý của xi măng Bút Sơn PC40 ............................................................... 26 Bảng 2-2. Muội silic và nano silic .................................................................................................... 29 Bảng 2-3. Thành phần hạt của đá dăm Kim Bảng-Hà Nam ............................................................. 30 Bảng 2-4. Tính chất cơ lý của đá dăm Kim Bảng-Hà Nam .............................................................. 30 Bảng 2-5. Thành phần hạt của cát Sông Lô và yêu cầu ASTM C33 ................................................ 32 Bảng 2-6. Chỉ tiêu cơ lý của cát Sông Lô ......................................................................................... 32 Bảng 2-7. Tính chất của phụ gia siêu dẻo ......................................................................................... 33 Bảng 2-8. Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng ................................................... 35 Bảng 2-9. Kế hoạch thực nghiệm tương quan giữa mã thực và biến mã hóa ................................... 35 Bảng 2-10. Kế hoạch thực nghiệm tại tâm ....................................................................................... 36 Bảng 2-11. Ma trận thực nghiệm bổ sung bậc 2 ............................................................................... 36 Bảng 2-12. Dự tính lượng nước trộn cần thiết và hàm lượng không khí của bê tông tươi trên cơ sở sử dụng cát có độ rỗng 35% (ACI211,4R) ............................................................................................ 38 Bảng 2-13. Giá trị tối đa N/CKD khuyên dùng đối với bê tông được sản xuất có chất giảm nước cao theo ACI211,4R ................................................................................................................................ 39 Bảng 2-14. Đường kính lớn nhất của cốt liệu lớn (đá)(ACI211.4R) ................................................ 41 Bảng 2-15. Thể tích của đá được đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tông, m3/1m3 bê tông (Vđ)(ACI211.4R) .............................................................................................................................. 41 Bảng 2-16. Qui định độ sụt cho bê tông trong tiêu chuẩn ACI211.4R ............................................. 48 Bảng 2-17. Qui định cỡ hạt lớp nhất của cốt liệu lớn ....................................................................... 48 Bảng 2-18. Qui định thể tích cốt liệu lớn trong tiêu chuẩn ACI211.4R ........................................... 48 Bảng 2-19. Hàm lượng nước ban đầu của cấp phối và độ rỗng bê tông tươi căn cứ trên độ rỗng cát là 35% ................................................................................................................................................... 49 Bảng 2-20. Thành phần cấp phối bê tông 1 ...................................................................................... 50 Bảng 2-21. Thành phần cấp phối bê tông theo quy hoạch thực nghiệm ........................................... 50 Bảng 2-22. Kết quả độ sụt của các cấp phối bê tông theo quy hoạch thực nghiệm.......................... 51 Bảng 2-23. Kết quả cường độ chịu nén của bê tông 28 ngày tuổi .................................................... 51 Bảng 2-24. Kết quả thí nghiệm độ thấm nhanh ion Clo ................................................................... 51 Bảng 2-25. Giá trị và khoảng biến thên của 2 yếu tố ảnh hưởng...................................................... 52 iv
Bảng 2-26. Bảng kết quả kế hoạch thực nghiệm tương quan giữa mã thực và biến mã hóa ............ 53 Bảng 2-27. Kết quả kế hoạch thực nghiệm tại tâm ........................................................................... 53 Bảng 2-28. Ma trận kết quả thực nghiệm bổ sung bậc 2 .................................................................. 56 Bảng 2-29. Cường độ chịu nén bê tông C70-0NS và C70-2NS theo tuổi ........................................ 59 Bảng 2-30. Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông 28 ngày tuổi.................................................... 60 Bảng 2-31. Mô đun đàn hồi của bê tông 28 ngày tuổi ...................................................................... 61 Bảng 3-1. Thành phần vật liệu cấp phối 6 ........................................................................................ 74 Bảng 3-2. Cấu tạo, diện tích và tỉ lệ hàm lượng cốt thép chịu kéo ................................................... 75 Bảng 3-3. Số liệu thu thập điển hình dầm 2D12-1 ........................................................................... 77 Bảng 3-4. Mô men tới hạn của dầm xác định theo ACI318 (Bỏ qua bê tông chịu kéo) ................... 80 Bảng 3-5. Thông số khối ứng suất hình chữ nhật quy đổi cho các tiêu chuẩn khác nhau ................ 81 Bảng 3-6. Bảng giá trị mô men tới hạn uốn theo các tiêu chuẩn khác nhau ..................................... 81 Bảng 3-7. Giá trị mô men tới hạn xác định từ kết quả thí nghiệm ................................................... 82 Bảng 3-8. Kết quả phân tích và thực nghiệm và giá trị tính toán mô men tới hạn theo các tiêu chuẩn khác nhau .......................................................................................................................................... 82 Bảng 3-9. Bảng giá trị chiều cao vùng kéo và vùng nén của bê tông theo thực nghiệm .................. 86 Bảng 3-10. Giá trị thực nghiệm chiều cao nén a và chiều cao vùng kéo x ....................................... 86 Bảng 3-11. Mô men tới hạn Mn tính theo hồi quy ............................................................................ 87 Bảng 3-12. Bảng tính giá trị mô men và góc xoay lý thuyết ............................................................ 92 Bảng 3-13. Bảng tính giá trị mô men và góc xoay thực nghiệm cho dầm 2D12-1 .......................... 93 Bảng 3-14. Bảng giá trị tính tỷ số dẻo dầm thí nghiệm .................................................................... 96 Bảng 4-1. Đặc tính dầm U nghiên cứu ............................................................................................. 99 Bảng 4-2. Cấu tạo mặt cắt ngang dầm U38m ................................................................................... 99 Bảng 4-3. Đặc tính vật liệu bê tông ................................................................................................ 100 Bảng 4-4. Tính chất vật liệu cáp cường độ cao .............................................................................. 100 Bảng 4-5. Đặc trưng hình học của tiết diện 4 dầm tại mặt cắt giữa dầm ........................................ 101 Bảng 4-6. Bảng kết quả tính toán cho các dầm U38m.................................................................... 101 Bảng 4-7. Phân loại vùng ăn mòn do ion clo từ nước biển [3] ....................................................... 102 Bảng 4-8. Qui định về chất lượng bê tông tương ứng với môi trường xâm thực vùng nước biển . 102 Bảng 4-9. Tăng hoặc giảm cấp cấu tạo độ bền lâu và tuổi thọ ....................................................... 103 Bảng 4-10. Yêu cầu chiều dày tối thiểu của lớp bê tông bảo vệ cốt thép thường .......................... 103 Bảng 4-11. Các hệ số riêng phần của kết cấu trong môi trường biển ............................................. 107 Bảng 4-12. Giá trị hệ số khuếch tán của các loại bê tông theo các công thức kinh nghiệm. .......... 108 Bảng 4-13. Hệ số của phương trình (4-7) ....................................................................................... 108 Bảng 4-14. Kết quả tính toán tuổi thọ bê tông chất lượng cao nano silic ....................................... 108 v
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. So sánh vật liệu khác nhau dựa trên kích thước của chúng Sobolev[110] ......................... 5 Hình 1-2. Sơ đồ quá trình hydrat hóa xi măng nano silic ................................................................... 6 Hình 1-3. Sơ đồ quá trình Pozzolanic ................................................................................................. 7 Hình 1-4. Cường độ nén ..................................................................................................................... 7 Hình 1-5. Cường độ uốn ..................................................................................................................... 7 Hình 1-6. Thời gian đông kết (bắt đầu và kết thúc) trên vữa với hàm lượng NS khác nhau .............. 8 Hình 1-7. SEM hình ảnh hiển thị kết tinh trong a) bê-tông thường b) bê tông với nano silic. ........... 9 Hình 1-8. Cường độ hồ xi măng sau 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày ........................................................ 9 Hình 1-9. Hình SEM hiển thị cấu trúc lỗ rỗng: a) bê tông thường b) bê tông với nano silic. .......... 10 Hình 1-10. Tổng lượng lỗ rỗng và sự phân bố đường kính lỗ rỗng. ................................................. 11 Hình 1-11. Vai trò của nano trong hệ xi măng[77] ........................................................................... 16 Hình 1-12. Hình ảnh cầu Garnerplatzbucke- Đức ............................................................................ 18 Hình 1-13. Cấu tạo dầm thí nghiệm theo nghiên cứu của TS Mustafa [112] ................................... 19 Hình 1-14. Cấu tạo dầm thí nghiệm theo nghiên cứu của J. Sridhar [62] ........................................ 20 Hình 1-15. Quá trình rỗ bề mặt trong môi trường giàu clo ............................................................... 22 Hình 2-1. Nano silic chế tạo từ tro trấu Tỉnh Đồng Tháp ................................................................. 27 Hình 2-2 . Phổ EDX và thành phần các nguyên tố trong mẫu SiO2 ................................................. 28 Hình 2-3. Ảnh SEM mẫu nano silic .................................................................................................. 28 Hình 2-4. Đường biểu diễn tọa độ BET của mẫu SiO2 ..................................................................... 28 Hình 2-5. Cốt liệu lớn được rửa sạch, phơi và sàng lọc.................................................................... 29 Hình 2-6. Biểu đồ thành phần hạt cốt liệu lớn đá Kim Bảng ............................................................ 30 Hình 2-7. Rửa và phơi khô cốt liệu nhỏ ............................................................................................ 31 Hình 2-8. Biểu đồ thành phần hạt của cát Sông Lô .......................................................................... 32 Hình 2-9. Cân vật liệu. ...................................................................................................................... 43 Hình 2-10. Thí nghiệm độ sụt cho các hỗn hợp cấp phối bê tông .................................................... 44 Hình 2-11. Đầm bê tông cho mẫu hình trụ. ...................................................................................... 44 Hình 2-12. Bọc mẫu chống mất nước ............................................................................................... 45 Hình 2-13. Bảo dưỡng mẫu............................................................................................................... 45 Hình 2-14. Các loại hình dạng mẫu phá hoại.................................................................................... 45 Hình 2-15. Mẫu phá hoại trong thí nghiệm loại (d). ......................................................................... 46 Hình 2-16. Thí nghiệm xác định độ thấm ion clo bằng phương pháp đo điện lượng ....................... 47 Hình 2-17. Tiến hành xác định cường độ chịu kéo uốn .................................................................... 59 Hình 2-18. Xác định mô đun đàn hồi của bê tông ............................................................................ 61 Hình 3-1. Biểu đồ ứng suất ở trạng thái giới hạn cường độ.............................................................. 65 Hình 3-2. Mô tả toán học của khối ứng suất nén .............................................................................. 66 vi
Hình 3-3. Giá trị k1 và k2, đối với các phân bố ứng suất khác nhau ................................................. 67 Hình 3-4. Khối ứng suất chữ nhật tương đương ............................................................................... 67 Hình 3-5. Biến dạng của phần tử chịu uốn ....................................................................................... 69 Hình 3-6. Quan hệ giữa mô men và góc xoay trong dầm chịu uốn cốt thép đơn ............................. 70 Hình 3-7. Tiết diện trước khi xuất hiện vết nứt (Mcr) ....................................................................... 70 Hình 3-8. Tiết diện làm việc sau khi xuất hiện vết nứt (Mcr)............................................................ 71 Hình 3-9. Tiết diện dầm khi thép đạt tới giới hạn chảy .................................................................... 72 Hình 3-10. Tiết diện làm việc tới hạn ............................................................................................... 73 Hình 3-11. Sơ đồ cấu tạo cốt thép và vị trí thiết bị thí nghiệm 9 dầm .............................................. 74 Hình 3-12. Hình ảnh 9 dầm thí nghiệm ............................................................................................ 75 Hình 3-13. Bảo dưỡng dầm thí nghiệm ............................................................................................ 75 Hình 3-14. Hệ thống thiết bị đo lường đa năng (CompactDAQ Multifunction System) ................. 76 Hình 3-15. Hình ảnh thiết bị đo LDVT, Load cell và Strain gauge .................................................. 76 Hình 3-16. Các dầm đã hoàn thiện, và đánh dấu vị trí gắn thiết bị................................................... 77 Hình 3-17 Tiến hành thí nghiệm ....................................................................................................... 77 Hình 3-18. Biểu đồ tải trọng -độ võng cho nhóm dầm 2D12 ........................................................... 77 Hình 3-19. Biểu đồ tải trọng -độ võng cho nhóm dầm 2D14 ........................................................... 78 Hình 3-20. Biểu đồ tải trọng -độ võng cho nhóm dầm 2D16 ........................................................... 78 Hình 3-21. Hình ảnh dầm phá hoại ................................................................................................... 78 Hình 3-22. Sơ đồ tính toán mô men tới hạn của dầm ....................................................................... 81 Hình 3-23. Biểu đồ mô men tới hạn thực nghiệm và các tiêu chuẩn ................................................ 83 Hình 3-24. Mô hình giả thuyết bê tông làm việc chịu uốn có xét đến vùng chịu kéo ...................... 84 Hình 3-25. Biểu đồ mô men tới hạn thực nghiệm và các tiêu chuẩn ................................................ 88 Hình 3-26. Tính toán góc xoay thực nghiệm .................................................................................... 92 Hình 3-27. Biểu đồ quan hệ Mô men tới hạn và góc xoay dầm 2D12-1 .......................................... 93 Hình 3-28. Biểu đồ quan hệ Mô men tới hạn và góc xoay dầm 2D12-2 .......................................... 93 Hình 3-29. Biểu đồ quan hệ Mô men tới hạn và góc xoay dầm 2D12-3 .......................................... 94 Hình 3-30. Biểu đồ quan hệ Mô men tới hạn và góc xoay dầm 2D14-1 .......................................... 94 Hình 3-31. Biểu đồ quan hệ Mô men tới hạn và góc xoay dầm 2D14-2 .......................................... 94 Hình 3-32. Biểu đồ quan hệ Mô men tới hạn và góc xoay dầm 2D14-3 .......................................... 95 Hình 3-33. Biểu đồ quan hệ Mô men tới hạn và góc xoay dầm 2D16-1 .......................................... 95 Hình 3-34. Biểu đồ quan hệ Mô men tới hạn và góc xoay dầm 2D16-2 .......................................... 95 Hình 3-35. Biểu đồ quan hệ Mô men tới hạn và góc xoay dầm 2D16-2 .......................................... 96 Hình 3-36. Quan hệ tỷ số dẻo và hàm lượng cốt thép dầm thí nghiệm ............................................ 97 Hình 3-37. Phân bố ứng suất suất và biến dạng của bê tông khi thép đạt giới hạn chảy .................. 98 Hình 4-1. Cấu tạo mặt cắt ngang kết cấu nhịp điển hình dầm U38m ............................................... 99 vii
Hình 4-2. Sơ đồ bố trí cáp dự ứng lực theo phương dọc dầm U38m ............................................. 100 Hình 4-3. Tuổi thọ kết cấu thay đổi theo chiều dày bê tông bảo vệ và hàm lượng NS .................. 109 viii
TỪ VIẾT TẮT AASHTO: American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội vận tải và đường cao tốc Hoa Kỳ) ACI: American Concrete Institute (Viện bê tông Hoa Kỳ) ASTM: American Society for Testing and Materials (Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu Hoa Kỳ) BET: Brunauer-Emmett-Teller (Phương pháp lý thuyết hấp thụ) BTCT: Bê tông cốt thép BTXM: Bê tông xi măng C-H: Canxi hydroxit C-S-H: Canxi silicat hydrat DUL: Dự ứng lực GGBS: Ground granulated blast slag (Xỉ lò cao) Đ/C: Đá/Cát EDX: Energy-dispersive X-ray spectroscopy (Phổ tán sắc năng lượng tia X) FA: Fly ash (Tro bay) HRWR: High-Range Water Reducer (Phụ gia giảm nước cao) HSC: High-Stregth Concrete (Bê tông cường độ cao) HPC: High Performance Concrete (Bê tông chất lượng cao) ITZ: Interfacial Transition Zone (Vùng chuyển tiếp bề mặt) LDVT: Linear Variable Differential Transformers (Cảm biến đo chuyển vị tuyến tính) NIST: National Institute of Standards and Technology (Viện tiêu chuẩn công nghệ) NS: Nano silic N/CKD: Nước/Chất kết dính PFA: Portland Fly Ash (Xi măng tro bay) SCC: Self-Compacting Concrete (Bê tông tự lèn) SF: Silica fume (Muội silic) SEM: Scanning Electron Microscope (Kính hiểm vi điện tử quét) UHPC: Ultra High Performance Concrete (Bê tông chất lượng siêu cao) ix
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống hạ tầng giao thông nói chung cũng như kết cấu hệ thống giao thông đường bộ, đường sắt và đường thủy-cảng biển nói riêng có vai trò đặc biệt quan trọng trong thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội theo hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa. Theo quy hoạch thời kì 2021-2030 tầm nhìn đến năm 2050, hệ thống giao thông đường bộ bổ sung mới có 9014km cao tốc, 29797km Quốc lộ; đối với hệ thống cảng biển, xây dựng 16 cảng biển phía Bắc và 25 cảng phía Nam. Các công trình dân dụng, đường sắt, nhà máy, khu công nghiệp…cần một lượng bê tông xi măng rất lớn. Cùng với phát triển số lượng thì quy mô công trình cũng hiện đại không kém, cần vật liệu để chế tạo bê tông cường độ cao (HSC), bê tông chất lượng cao (HPC) hay bê tông tính năng siêu cao (UHPC). Hiện nay, việc nghiên cứu phối trộn bê tông HSC và HPC chủ yếu sử dụng muội silic hoặc kết hợp tro bay xỉ lò cao, bê tông UHPC thông thường kết hợp sợi thép và sợi carbon mang lại hiệu quả rất lớn nếu được áp dụng đại trà. Mục tiêu phát triển mạng lưới công trình đường bộ và hệ thống cảng biển phải thích ứng với biến đổi khí hậu và phát triển bền vững. Khi xây dựng công trình cầu đường ven biển, cảng biển chịu ăn mòn trực tiếp của môi trường biển như: xâm nhập ion clo, ăn mòn sunphat, … ngoài cường độ cao còn phải xem xét đến yếu tố độ bền để phù hợp với điều kiện làm việc khắc nghiệt của môi trường. Trong những năm gần đây, để nghiên cứu loại bê tông đáp ứng yêu cầu cường độ cao và độ bền tốt, vật liệu nano cũng đã được sử dụng. Công nghệ nano trong bê tông là đưa các hạt có kích cỡ nanomet lèn chặt các hạt lớn hơn có thể tối ưu phân bố cỡ hạt một cách hoàn hảo, bằng cách kết hợp đồng nhất hạt lớn và nhỏ trong hỗn hợp. 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, nhiều canxi silicat hydrate (C-S-H) hơn. Điều này làm tăng đáng kể tính chất cơ học và độ bền của bê tông. Một vài vật liệu nano đã được nghiên cứu làm phụ gia bê tông, bao gồm nano silic (nano-SiO2), nano-titan (nano-TiO2), nano-alumina (nano-Al2O3), nano- clay, nano-iron (nano-Fe2O3), và nano-CaCO3, Nano silic là một trong những vật liệu nano đầu tiên được sử dụng trong bê tông xi măng nhưng mang lại hiệu quả vô cùng lớn, bổ sung nano silic vào bê tông làm tăng hoạt tính pozzolanic, nhiều canxi silicat hydrat (C-S-H) được tạo ra bằng cách tác dụng canxi hydroxit (CH) từ hydrat hóa. Hoạt tính pozzolanic này tạo ra gel C-S-H có độ cứng cao sẽ làm cho vi cấu trúc ITZ (interfacial transition zone) đặc và đồng nhất hơn. Do đó, sẽ làm tăng cường độ và độ bền của bê tông [18]. Điều này cải thiện cường độ và độ bền của vật liệu xi măng nhờ giảm số lượng kích thước lỗ rỗng, phá vỡ các kết nối lỗ rỗng làm tăng cao độ cứng của pha C-S-H [67]. Hơn nữa, các hạt nano silic làm tăng mật độ của vật liệu xi măng, 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 bê tông thông thường, có nano silic sẽ cải thiện vi cấu trúc của vùng bề mặt trong bê tông và vữa. Thêm nano silic vào bê tông, có thể 1
có hai cơ chế phản ứng xảy ra trong quá trình hydrat hóa xi măng. Hydrat hóa xi măng được đẩy nhanh khi thêm nano silic. H2SiO2-4 phản ứng với Ca2+ 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. Hơn nữa, phản ứng puzzolanic của nano silic với canxi hydroxit 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 canxi hydroxit thành phần không đóng góp vào sự phát triển cường độ bê tông đã được triệt tiêu. Ngoài phương pháp chế tạo nano silic từ hóa chất tinh khiết đắt tiền thì Việt Nam đã chế tạo nano silic từ tro trấu, vừa giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra được phụ gia bê tông hiệu quả cao. Việc sử dụng tro trấu để sản xuất nano silic dùng cho bê tông cũng đã được nghiên cứu cho bê tông thông thường và đã đạt được một số kết quả nhất định. Theo yêu cầu thực tiễn phát triển hệ thống hạ tầng giao thông đòi hỏi chất lượng bê tông ngày càng cao, chúng ta có thể nghĩ đến nghiên cứu chế tạo và ứng dụng bê tông chất lượng cao sử dụng nano silic trong xây dựng kết cấu công trình cầu đường, cảng biển chịu ảnh hưởng bởi khí hậu và thời tiết. Đó là lý do nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài bê tông chất lượng cao sử dụng nano silic từ phụ phẩm nông nghiệp để nghiên cứu. Tên đề tài: “Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực” Mục tiêu nghiên cứu Sử dụng vật liệu muội silic và nano silic và các loại vật liệu chế tạo bê tông thông thường, dùng qui hoạch thực nghiệm để thiết kế và chế tạo bê tông chất lượng cao có cường độ nén tối ưu của bê tông 70Mpa. 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 và kết cấu dầm chịu uốn. * Phạm vi nghiên cứu: Bê tông chất lượng cao muội silic và nano silic cường độ 70Mpa, ứng dụng kết cấu dầm chịu lực U38 và tính toán dự báo tuổi thọ công trình. Phương pháp nghiên cứu: Luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: Nghiên cứu tài liệu: Tham khảo và nghiên cứu các đề tài, báo cáo nghiên cứu và ứng dụng của loại bê tông chất lượng cao sử dụng nano silic, các tiêu chuẩn kỹ thuật, v.v… Phương pháp kế thừa: Các nghiên cứu trước đây về bê tông chất lượng cao sử dụng 2
nano silic, các phương pháp tính toán kết cấu dầm, dầm chữ U, phương pháp tính toán ACI 318-14,v.v… Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông chất lượng cao sử dụng nano silic. Thí nghiệm xác định mô men tới hạn của dầm chịu lực. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu: * Ý nghĩa khoa học: Việc nghiên cứu sử dụng bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic có độ bền cao trong các kết cấu dầm chịu uốn để thiết kế và thi công các công trình cầu vượt biển, các cầu cảng sẽ làm tăng tuổi thọ của công trình, giảm chi phí bảo trì và sửa chữa, mang lại sự an toàn cho các công trình bê tông và BTCT trong xây dựng. * Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã lựa chọn các loại vật liệu phù hợp để thiết kế và chế tạo bê tông chất lượng cao sử dụng vật liệu muội silic và nano sillic với cường độ nén tối ưu của bê tông cấp 70MPa. Đây là loại bê tông có cường độ và tính bền cao, có thể ứng dụng cho tất cả các công trình bê tông và BTCT làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Việc tận dụng phụ phẩm nông nghiệp là tro trấu để điều chế nano silic làm phụ gia cho bê tông chất lượng cao sẽ mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật và môi trường. Bố cục của luận án: Luận án gồm có Phần mở đầu và 4 chương, phần kết luận và kiến nghị. Mở đầu. 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 1.1. 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. Hình 1-1. 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. 1.2. 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]. Hình 1-2. 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]. 6
Hình 1-3. Sơ đồ quá trình Pozzolanic 1.2.1. 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. Ehsan Ghafari và cộng sự [46] đã sử dụng hỗn hợp UHPC: xi măng pooclăng thông thường loại I: 52,5 R, muội silic (SF), bột thạch anh (P600) được sử dụng làm chất bổ sung vi mô (kích thước hạt nhỏ hơn 10 μm), cát silic kích thước tối đa là 0,6mm, chất dẻo hoá dựa trên polycarboxylat (SP), và hai loại nano silic (Một loại hạt nano silic được phủ một lớp carbon (NSC) mỏng, cho phép hạt phân tán dễ dàng hơn trong hỗn hợp. Loại còn lại không được phủ (NS)). Các giá trị trung bình của cường độ nén tại thời điểm 7 và 28 ngày được thể hiện cho tất cả các mẫu Hình 1-4. Có thể thấy rằng việc bổ sung nano silic làm tăng đáng kể cường độ nén ở tuổi sớm. Cường độ cao hơn có thể là do diện tích tỷ diện của các hạt nano lớn hơn, nó có thể phản ứng nhanh hơn với Ca(OH)2 làm cho cấu trúc vi mô dày đặc hơn. Ở tuổi 28 ngày, cường độ nén cao nhất thu được cho UHPC-NS. Ảnh hưởng của nano silic được phủ cacbon không hiệu quả như nano silic không phủ cacbon, có thể do thực tế lớp phủ này làm giảm hoạt tính của hạt nano. Từ Hình 1-5 nhận thấy rằng độ bền uốn bê tông tăng hơn khi kết hợp nano silic, ở độ tuổi 7 và 28 ngày. Hình 1-4. Cường độ nén Hình 1-5. Cường độ uốn Nano silic được xem có nhiều tác dụng trên bê tông. Tác dụng của nó đối với cường độ của bê tông là mối quan tâm đặc biệt vì tầm quan trọng sự thay đổi do nano silic gây ra. Trong một nghiên cứu khác trên các đặc tính của nano silic kết hợp bê tông [98], nano silic sử dụng là ở dạng keo với thành phần 50% nano silic. Kích thước hạt trung bình của 7