1
1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu
Bê tông xi măng là vật liệu quan trọng và phổ biến nhất trong ngành xây dựng,
đồng thời tiêu thụ hầu hết xi măng được sản xuất ra trên thế giới. Sử dụng khối
lượng lớn xi măng làm tăng khí thải CO2 và hậu quả là phát sinh hiệu ứng nhà
kính. Phương pháp để hạn chế thành phần xi măng trong hỗn hợp bê tông là sử
dụng silica hạt mịn. Một trong những loại bột silica có tiềm năng thay thế xi măng
và phụ gia cho bê tông đó là nano SiO2 (NS) được điều chế từ tro trấu và sự kết
hợp hai loại phụ gia nano SiO2 + silica Fume (SF). Tuy nhiên, hiệu quả thương
mại của NS và SF là tổ hợp của nhiều yếu tố phức tạp, bao gồm quá trình làm sạch
và sản xuất phức tạp đã khiến cho tính ứng dụng của loại vật liệu này vào ngành
công nghiệp xây dựng còn hạn chế.
Từ lâu, vật liệu silica được biết đến với những ứng dụng tuyệt vời như làm vật
liệu xúc tác, vật liệu điện môi, chất hấp phụ khí, hấp phụ ion kim loại nặng, chất
vô cơ... [62]. Để chế tạo loại vật liệu này có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp
khác nhau như Sol-gel, kết tủa hóa học, phương pháp vi nhũ tương và kỹ thuật
thủy nhiệt [85].
Việt Nam nói chung và khu vực miền Tây Nam Bộ nói riêng là quốc gia sản xuất
gạo đứng thứ hai trên thế giới với sản lượng gạo ước tính trung bình đạt khoảng
42 triệu tấn trên năm [81]. Trấu sau khi cháy, các thành phần hữu cơ bị phân hủy
và thu được tro trấu. Tro trấu là một trong những nguyên liệu giàu silica nhất đạt
khoảng 85% đến 98% về khối lượng nên nó là nguồn nguyên liệu lý tưởng để tổng
hợp vật liệu Silica.
Nguồn tro trấu khu vực miền Tây Nam Bộ là phế phẩm nông nghiệp hiện nay
rất nhiều và đang gây ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng nguồn tro trấu để điều
chế thành phụ gia NS ứng dụng vào trong BTXM cũng đã được nhiều tác giả
nghiên cứu. Nhưng sự kết hợp hai loại phụ gia NS+SF sẽ làm tăng các chỉ về mặt
cơ học và hóa học của BTXM làm mặt đường ô tô thì chưa có nghiên cứu chuyên
sâu ở Việt Nam.
Do vậy Luận án “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” là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
- Thông qua quá trình điều chế vật liệu tro trấu thành sản phẩm phụ gia NS. Qua
đó ứng dụng vật liệu nano SiO2 vào trong thành phần vữa xi măng và bê tông xi
măng.
- Xác định tỉ tệ hợp lý sử dụng phụ gia NS và sự kết hợp hai loại phụ gia NS+SF
trong thiết kế thành phần BTXM theo yêu cầu về cường độ.
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá các đặc trưng cường độ, mô đun đàn hồi, độ
thấm ion clo, độ mài mòn, hệ số giãn nở nhiệt (CTE), độ thấm nước và chiều sâu
thấm của các loại BTXM sử dụng phụ gia NS và phụ gia kết hợp NS+SF.
- Đề suất khả năng ứng dụng của BTXM sử dụng phụ gia NS và phụ gia kết hợp
NS+SF trong thiết kế và thi công áo đường cứng khu vực miền Tây Nam Bộ.
2
3. Phạm vi nghiên cứu của luận án
- Tính toán thiến kế thành phần mẫu vữa xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2.
- Tính toán thiết kế thành phần bê tông xi măng sử dụng các phụ gia nano SiO2
và phụ gia kết hợp NS+SF.
- Thí nghiệm xác định các đặc trưng cường độ, khả năng chống mài mòn, mô
đun đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt (CTE), độ chống thấm ion clo, chống thấm nước,
của các loại bê tông sử dụng phụ gia NS và phụ gia NS+SF.
- Tính toán các dạng kết cấu mặt đường BTXM sử dụng phụ gia NS và phụ gia
NS+SF ứng dụng mặt đường ô tô khu vực miền Tây Nam Bộ theo QĐ 3220 [28].
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
- Phương pháp phân tích đánh giá.
5. Bố cục của luận án
Luận án gồm có phần Mở đầu, tiếp theo là 4 Chương, phần Kết luận và Kiến
nghị, danh mục các công trình tác giả đã công bố, danh mục tài liệu tham khảo và
phụ lục.
6. Những đóng góp mới của luận án
- Tận dụng nguồn phế thải tro trấu của các nhà máy sản xuất gạch khu vực miền
Tây Nam Bộ, thông qua quá trình điều chế thu được sản phẩm nano SiO2 thích
hợp cho việc làm chất phụ gia vữa xi măng và BTXM.
- Nghiên cứu đề xuất bảng cấp phối của vữa xi măng theo tỉ lệ NS (0.5 ÷ 2.0)%,
tìm ra phương trình hồi quy Rn, Rku ở tuổi 28 ngày và biến tỉ lệ phụ gia NS max
lớn nhất, làm cơ sở lựa chọn tỉ lệ thích hợp trong phạm vi thực nghiệm BTXM.
- Đã thí nghiệm để đưa ra các thông số chủ yếu về cường độ chịu nén, cường độ
chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn, khả năng chống thấm ion clo, hệ số
thấm và độ thấm sâu của BTXM; tính công tác của BTXM cấp C35 sử dụng phụ
gia NS và BTXM sử dụng kết hợp phụ gia NS+SF trong kết cấu mặt đường ô tô;
đề xuất cấu tạo các dạng kết cấu mặt đường ô tô BTXM sử dụng phụ gia NS và
BTXM sử dụng kết hợp phụ gia NS+SF. Kiến nghị và phạm vi áp dụng.
- Thực nghiệm tìm ra hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của bê tông xi măng cấp C35 sử
dụng phụ gia NS là 10,408.10-6/0C; BTXM kết hợp phụ gia NS+SF là 7,967.10-
6/0C; BTXM thông thường là 10,797.10-6/0C.
- Đề xuất ứng dụng kết cấu mặt đường BTXM khu vực miền Tây Nam Bộ:
+ Chiều dài tấm khi dùng BTXM sử dụng phụ gia NS và BTXM sử dụng kết
hợp phụ gia NS+SF cho mặt đường BTXM có thể lên đến 5m, tăng 10% so với
qui định hiện hành;
+ Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của tấm BTXM có sử dụng phụ gia NS và tấm
BTXM có sử dụng phụ gia kết hợp NS+SF có ảnh hưởng đến kết quả tính toán
ứng suất nhiệt gây mỏi [σtr]. Hệ số này có khả năng làm giảm ứng suất nhiệt trong
tấm, giảm vết nứt và tăng chiều dài tấm BTXM.
3
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Tận dụng vật liệu phế thải tro trấu của ngành nông nghiệp khu vực miền Tây
Nam Bộ là góp phần làm giảm ô nhiểm môi trường, việc sử dụng sản phẩm phụ
gia NS được điều chế từ tro trấu vào vữa xi măng và BTXM mang ý nghĩa khoa
học và thực tiễn.
- Mặt đường BTXM khi có sử dụng phụ gia NS và phụ gia NS+SF sẽ làm giảm
nhiệt thủy hóa, giảm ứng suất nhiệt trong tấm nên có thể ứng dụng làm lớp BTXM
cho đường có qui mô giao thông cấp III trở xuống.
- Xây dựng các công thức thành phần vật liệu và dạng kết cấu áo đường bằng
BTXM sử dụng phụ gia NS và phụ gia NS+SF có thể được sử dụng làm tài liệu
tham khảo hữu ích cho các kỹ sư thiết kế, trong tương lai sẽ có nhiều công trình
đường quốc lộ và đường cao tốc được xây dựng bằng vật liệu BTXM.
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 NS và phụ gia NS, 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.
1.1 Tổng quan về vật liệu nano và ứng dụng vật liệu nano trong bê tông
1.1.1 Định nghĩa vật liệu nano
Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, sẽ cần đến nhiều nghiên cứu và ứng
dụng trong lĩnh vực Công nghệ, vật liệu nano để nâng cao đời sống xã hội.
1.1.2 Phân loại vật liệu nano
+ Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano); Ví dụ: Đám
nano, Hạt nano...
Hình 1.1 - Vật liệu nano không chiều
+ Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano ví dụ
dây nano, ống nano,...
Hình 1.2 - Vật liệu nano một chiều
+ Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai
chiều tự do ví dụ: màng mỏng,...
4
Hình 1.3 - Vật liệu nano 2 chiều
1.2 Nghiên cứu ứng dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume cho bê tông xi măng
1.2.1 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica
Fume trên thế giới
1.2.1.1 Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano SiO2 vào trong bê tông
Bê tông là một loại vật liệu composite. 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].
Hình 1.4 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].
Hình 1.4 - Sự tương quan giữa kích thước hạt và diện tích bề mặt trong bê tông
Mitchell et.al [70] đã kết luận rằng chỉ có những thay đổi nhỏ 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.al [87].
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).
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.
Li et.al [68] 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. Hình 1.5 (a) và hình 1.5 (b) là hình ảnh dưới kính hiển vi của đá xi măng
đã thủy hóa không có và có nano SiO2, được trích từ Li et al [68].
5
Hình 1.5 - Cấu trúc vi mô của BTXM không có nano SiO2 (a) và BTXM có nano
SiO2 (b) (1,2,3 chỉ thị tinh thể CH, cụm CSH, và lỗ mao dẫn).
Mondal et.al [71] rút ra kết luận được đưa ra là nano SiO2 không ảnh hưởng
tới môđun đàn hồi và độ cứng của 2 loại CHS. Tuy nhiên tỉ lệ thể tích của CHS có
độ cứng cao tăng lên 50% khi mà nano SiO2 thay thế 18% khối lượng xi măng.
Kết quả này trong một loại đá xi măng cường độ cao hơn và bền hơn [71].
Tính thấm nước và lượng nước hấp phụ của bê tông là hai đặc tính ảnh hưởng
đến độ bền. Đặc tính thấm nước của bê tông sử dụng nano SiO2 đã được nghiên
cứu bởi Ji [61].
Theo nghiên cứu, khi các hạt nano SiO2 được phân tán không tốt trong đá xi
măng, chúng sẽ tích tụ hoặc tạo thành đám [69].
+ Mô hình tính năng của bê tông nano; Lý thuyết đồng nhất; Phương pháp phần
tử hữu hạn (FEM).
K. Sobolev nhận ra rằng bằng cách sử dụng vật liệu nano SiO2, độ bền, độ cứng
của bê tông xi măng có thể được tăng lên. Gần đây nhất là Brian Green đã sử dụng
nano SiO2 để giảm tính thấm và tăng cường độ chịu nén của bê tông xi măng [53].
Một số tính chất của xi măng Portland III được thay thế bằng nano silica với
tỷ lệ phần trăm 1, 3, 5 và 10% đã được đánh giá. Kết quả cho thấy nano SiO2 từ
5% bắt đầu có ảnh hưởng tích cực đến cường độ của vữa và với 10% cải thiện
cường độ nén so đối với mẫu đối chứng [49].
Mostafa và Brown [50] cho rằng, vai trò chủ yếu của xi măng Portland đang
trở nên ít hơn và đã dần dần nhường chỗ cho xi măng hỗn hợp, điều này chủ yếu
là vì lý do môi trường, kinh tế và công nghệ.
1.2.1.2 Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu silica Fume vào trong bê tông
P.Vinayagam (2012) đã tiến hành thí nghiệm với SF thay thế xi măng từ 0 đến
15% và phụ gia siêu dẻo cho bê tông tính năng cao [75].
Hooton (Hooton, 1993) đã tiến hành các thí nghiệm bằng việc thay thế xi măng
bằng SF và thí nghiệm nghiên cứu tính chất cơ lý và độ bền của bê tông khi đóng
băng và băng tan, độ bền Sunphát và phản ứng kiềm-silica [59].
Yogendran và Langan (Yogendran và Langan, 1982) đã khảo sát về bê tông
cường độ cao sử dụng Silica Fume với tỷ lệ (N/X = 0,34) [82].
Annadurai và Ravichandran, (2014), kết quả thí nghiệm cho thấy việc bổ sung
SF tăng cường độ nén và giảm độ sụt của bê tông [47].