Tổng quan bê tông chất lượng cao sử dụng vật liệu Nano
Bê tông xi măng, vật liệu xây dựng phổ biến nhất toàn cầu, bao gồm nhiều pha như hồ vô định hình, cốt liệu, vùng chuyển tiếp bề mặt và nước liên kết Canxi silicat hydrat (Gel C-S-H) đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết các thành phần của bê tông Cấu trúc phân tử, độ dài liên kết, cường độ và mật độ các liên kết hóa học hình thành trong quá trình hydrat hóa có thể được phân tích thông qua công nghệ nano.
Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) là một loại bê tông tiên tiến, với hiệu quả phụ thuộc vào mật độ của hỗn hợp Để tối đa hóa mật độ, việc lèn chặt các hạt cần được tối ưu hóa, dẫn đến sự hợp nhất cao của vữa bê tông Điều này có thể đạt được thông qua việc phân bố cỡ hạt hoàn hảo, kết hợp đồng nhất các hạt thô và mịn Sử dụng vật liệu nano kích cỡ cực nhỏ giúp lấp đầy khoảng trống giữa xi măng và muội silic, tạo ra mức lèn chặt cao hơn và hỗn hợp vữa kết dính chặt chẽ với nhiều canxi silicat hydrat (C-S-H) Kết quả là, tính chất cơ học và độ bền của bê tông được cải thiện đáng kể.
Công nghệ nano mở ra cơ hội cải thiện chất lượng bê tông thông qua việc ứng dụng các tiến bộ trong lĩnh vực này Việc sử dụng thiết bị hình ảnh và thiết bị đo lường ở kích cỡ nano giúp nghiên cứu cơ chế phát triển của bê tông từ quy mô nano đến macro.
Cải thiện bê tông ở cấp độ nano thông qua việc tích hợp vật liệu nano dạng hạt hoặc ống nano giúp nâng cao nhiều tính năng của bê tông.
Nghiên cứu cho thấy việc cải thiện tính năng của bê tông có thể đạt được thông qua việc tích hợp các vật liệu nano như nano silic, nano TiO2, nano Fe2O3, nano Al2O3 và các lớp nano như ống nano Carbon (CNTs) Việc sử dụng tỉ lệ và phương pháp trộn phù hợp giúp phân tán hiệu quả các vật liệu này, từ đó nâng cao chất lượng bê tông.
Vật liệu nano như nano-titan (nano-TiO2), nano-alumina (nano-Al2O3), nano-clay, nano-sắt (nano-Fe2O3), nano-CaCO3 và nano-silic (nano-SiO2) đã được nghiên cứu sử dụng làm phụ gia cho bê tông Các hạt nano này ảnh hưởng đến bê tông bằng cách hoạt động như chất chèn kích cỡ nano, từ đó tăng cường cấu trúc của các sản phẩm hydrat hóa và vùng chuyển tiếp bề mặt (ITZ), đồng thời tạo ra các vị trí mầm cho sản phẩm hydrat hóa xi măng và các chất phản ứng mạnh trong quá trình hydrat hóa.
Nano-TiO2 đã được ứng dụng vào bê tông để nâng cao các đặc tính tự làm sạch nhờ khả năng kích hoạt ánh sáng tia cực tím và đóng vai trò như một chất xúc tác trong quá trình oxy hóa các chất gây ô nhiễm không khí Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng nano-TiO2 có thể cải thiện độ bền tuổi muộn, tính linh động và cường độ nén của bê tông Bên cạnh đó, việc bổ sung nano-Al2O3 vào bê tông cũng giúp cải thiện mô đun đàn hồi và cường độ.
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
Nghiên cứu về bê tông chất lượng cao sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực cho thấy phản ứng pozzolanic có khả năng nâng cao cường độ bê tông vượt trội hơn so với các vật liệu nano không pozzolanic Nano SiO2, với những đặc tính tương tự như muội silic, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao hơn nhiều trong ngành công nghiệp xây dựng so với các vật liệu nano khác.
Bê tông HPC/HSC có sự cải tiến rõ rệt về cấu trúc nhờ vào việc tích hợp muội silic và các vật liệu pozzolanic khác vào bê tông truyền thống Hình 1-1 minh họa sự phân bố kích thước hạt trong bê tông thông thường so với bê tông HPC/HSC và bê tông chứa nano silic Kích thước hạt của HPC/HSC trải dài từ milimét đến khoảng 100nm, với diện tích bề mặt của các hạt nano silic rất cao, điều này làm tăng đáng kể phạm vi phân bố kích thước hạt trong bê tông.
Hình 1-1 So sánh vật liệu khác nhau dựa trên kích thước của chúng Sobolev[110]
Công nghệ nano có khả năng cải thiện nhiều đặc tính của bê tông thông qua việc chế tạo bê tông nano từ xi măng pooclăng với kích thước hạt từ vài nanomet đến 100 micromet Để sản xuất xi măng pooclăng nano, kích thước hạt cần được giảm xuống Khi các hạt nano xi măng được xử lý bằng ống nano và hạt nano silic hoạt hóa, bê tông có thể đạt được cường độ, độ cứng và tính linh hoạt cao hơn, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng của vật liệu xây dựng này.
Ngày nay, việc sản xuất hạt nano với đa dạng vật liệu, kích cỡ và hình dạng ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt trong lĩnh vực vật liệu xây dựng Các hạt nano như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2 và ZrO2 đã được nghiên cứu và ứng dụng Kỹ thuật Nano cho phép phát triển các vật liệu xi măng composite đa chức năng với chất lượng cơ học và độ bền cao, đồng thời mang lại nhiều tính năng độc đáo như khả năng tự làm sạch, tự làm lành, tính dẻo dai và khả năng tự kiểm soát vết nứt.
Luận án tiến sĩ nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực Nghiên cứu này nhằm cải thiện độ bền và khả năng chống chịu của bê tông trong các điều kiện khắc nghiệt, đồng thời tối ưu hóa các thành phần vật liệu để nâng cao hiệu suất kết cấu Việc áp dụng muối silic và nano silic không chỉ giúp tăng cường tính chất cơ học mà còn gia tăng khả năng chống thấm và chống ăn mòn, từ đó kéo dài tuổi thọ của công trình cầu.
Nano silic là một trong những vật liệu nano được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến nhất trong bê tông, nhờ vào những tác động tích cực mà nó mang lại cho các tính chất của vật liệu này Bài viết dưới đây sẽ trình bày chi tiết về tính chất của nano silic khi sử dụng trong bê tông.
Ảnh hưởng nano silic đến tính chất bê tông
Tính năng cơ học của bê tông
Nano silic được thêm vào xi măng hoạt động như hạt nhân cho phản ứng tạo gel C-S-H, quyết định cường độ bê tông Gel C-S-H cải thiện độ bền của bê tông, trong khi canxi hydroxit (CH) lại gây bất lợi cho các đặc tính của nó Khi nano silic phản ứng với canxi hydroxit, nó tạo ra thêm gel C-S-H, từ đó nâng cao cường độ bê tông.
Việc bổ sung nano silic vào cấp phối bê tông giúp tăng nhanh thời gian đông cứng và nâng cao cường độ nén của bê tông Nghiên cứu của Li và cộng sự đã chỉ ra hiệu quả rõ rệt của nano silic trong bê tông tro bay khối lớn, với kết quả so sánh tích cực với bê tông chuẩn.
Ehsan Ghafari và cộng sự đã nghiên cứu hỗn hợp bê tông siêu cao cấp (UHPC) với các thành phần như xi măng pooclăng loại I: 52,5 R, muội silic, bột thạch anh, cát silic, chất dẻo hóa polycarboxylat và hai loại nano silic Kết quả cho thấy việc bổ sung nano silic làm tăng đáng kể cường độ nén ở tuổi sớm, với cường độ cao nhất đạt được ở UHPC-NS sau 28 ngày Nano silic không phủ cho thấy hiệu quả cao hơn so với nano silic có phủ carbon, có thể do lớp phủ làm giảm hoạt tính của hạt nano Độ bền uốn của bê tông cũng tăng khi kết hợp nano silic ở cả hai thời điểm 7 và 28 ngày.
Hình 1-4 Cường độ nén Hình 1-5 Cường độ uốn
Nano silic có nhiều tác dụng tích cực đối với bê tông, đặc biệt là trong việc cải thiện cường độ của nó Sự thay đổi mà nano silic mang lại cho bê tông là một vấn đề quan trọng, thu hút sự quan tâm của nhiều nghiên cứu và ứng dụng trong ngành xây dựng.
Trong một nghiên cứu về đặc tính của nano silic kết hợp với bê tông, nano silic được sử dụng ở dạng keo với thành phần 50% Kích thước hạt trung bình của nano silic đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất cơ lý của bê tông.
Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển bê tông chất lượng cao bằng cách sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực Nano silic có kích thước 35nm được áp dụng cùng với phụ gia siêu dẻo và phụ gia siêu giảm nước polycarboxylate với các tỷ lệ khác nhau Tỷ lệ nước/xi măng được thiết lập là 0,4, trong khi hàm lượng nano silic được thử nghiệm với ba mức độ khác nhau: 0%, 3% và 6%.
Tính công tác của cấp phối bê tông
Tính công tác và tính ổn định của bê tông nano silic chịu ảnh hưởng đáng kể từ nano silic và muội silic Việc bổ sung nano silic giúp cải thiện khả năng thi công của bê tông, đồng thời tăng cường tính ổn định và độ bền của vật liệu Sự tương tác giữa các thành phần này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của bê tông, mang lại nhiều lợi ích cho các công trình xây dựng.
Nano silic và muội silic cải thiện tính chất vận chuyển và độ nhớt của vữa, giúp tăng cường tính lưu biến và hiệu ứng đồng vận Điều này không chỉ nâng cao chất lượng cơ học mà còn duy trì tính lưu động cần thiết cho vữa tự cố kết.
Bài viết này so sánh kết quả thí nghiệm về cường độ bê tông với và không có bổ sung nano silic Nghiên cứu tập trung vào tính chất cơ học của bê tông khi sử dụng các loại nano silic khác nhau, phụ gia siêu dẻo và tỷ lệ nước/xi măng khác nhau Mondal và cộng sự [82] đã phân tích hiệu quả của muội silic và nano silic qua 4 trường hợp: bê tông với hồ xi măng thường, thay thế 15% muội silic, 6% nano silic và 18% nano silic theo trọng lượng xi măng.
So sánh phần khối lượng của C-S-H độ cứng thấp, C-S-H độ cứng cao và tỷ lệ CH trong hỗn hợp Các kết quả thu được trình bày trong Bảng 1-1
Bảng 1-1 Kết quả thu được bởi Mondal và cộng sự [82]
Phần thể tích 0% Silic 15%muội silic 6% nano silic 18% nano silic
Thời gian đông kết của vữa
Hình 1-6 Thời gian đông kết (bắt đầu và kết thúc) trên vữa với hàm lượng NS khác nhau
Bổ sung nano silic trong vữa xi măng thì thời gian đông kết của vữa có thể được giảm
Lý do có thể là phản ứng mạnh của nano silic Điều này được thể hiện trong đồ thị Hình 1-6
Li [72] hay Senff và cộng sự [104]
Luận án tiến sĩ nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực Nghiên cứu này nhằm cải thiện độ bền và khả năng chống chịu của bê tông trong các điều kiện khắc nghiệt, đồng thời tối ưu hóa các thành phần vật liệu để nâng cao hiệu suất và độ an toàn của công trình Việc áp dụng công nghệ nano và muối silic có thể mang lại những lợi ích vượt trội trong việc duy trì tuổi thọ và tính ổn định của kết cấu cầu.
Canxi hydroxit (CH) hình thành trong quá trình hydrat hóa bê tông dưới dạng tinh thể Sự kết tinh của canxi hydroxit có tác động tiêu cực đến các tính chất của bê tông.
Nhưng khi nano silic được thêm vào bê tông, kết tinh của canxi hydroxit được giảm đi Điều này được thể hiện trong các hình dưới đây [91]
Hình 1-7 SEM hình ảnh hiển thị kết tinh trong a) bê-tông thường b) bê tông với nano silic.
Tính chất ảnh hưởng đến độ bền bê tông
Theo nghiên cứu của Liu M và Forood Torabian Isfahani, việc thêm nano silic vào bê tông xi măng có thể thúc đẩy quá trình thủy hóa sớm, từ đó tăng cường cường độ bê tông Thí nghiệm với hàm lượng nano silic 1,5% và 2% cho thấy cường độ nén của mẫu bê tông sau 28 ngày tăng lần lượt 14,6% và 30% so với mẫu đối chứng Cường độ của mẫu ở tuổi 3 và 7 ngày cũng có sự cải thiện đáng kể so với mẫu đối chứng.
Hình 1-8 Cường độ hồ xi măng sau 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày
Nano silic, với kích thước nhỏ, đóng vai trò quan trọng như một chất độn trong cấp phối bê tông, tương tự như cách hạt cát được sử dụng để lấp đầy cấp phối thô.
Luận án tiến sĩ nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực Nghiên cứu này nhằm cải thiện tính bền vững và khả năng chịu đựng của bê tông trong các điều kiện khắc nghiệt, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất của các vật liệu xây dựng Việc áp dụng muối silic và nano silic sẽ giúp nâng cao độ bền và khả năng chống thấm, từ đó kéo dài tuổi thọ của các công trình cầu.
Hiệu ứng này làm giảm số lượng các lỗ rỗng và do đó làm giảm tính thấm nước của bê tông
Có thể được nhìn thấy trong các hình ảnh hiển thị Hình 1-9 [71] a) b) Hình 1-9 Hình SEM hiển thị cấu trúc lỗ rỗng: a) bê tông thường b) bê tông với nano silic
Shi và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về tính thấm và cấu trúc vi mô của vữa xi măng pooclăng với bốn loại vật liệu nano khác nhau Kết quả nghiên cứu cho thấy việc bổ sung nano silic và nano-clay đã làm tăng đáng kể khả năng chống thấm clorua và tính thấm ion tổng hợp của vữa xi măng.
Nghiên cứu thực nghiệm của Ji [65] chỉ ra rằng việc bổ sung nano silic vào hỗn hợp bê tông đã nâng cao khả năng chống thấm nước của vật liệu này.
Bảng 1-2 Kết quả thí nghiệm thấm với bê tông xi măng có nano silic [65]
Thành phần cấp phối bê tông
Cát (kg/m3) Đá dăm (kg/m 3 )
Cường độ nén 28 ngày (Mpa) Áp lực nước H (Mpa)
Chiều sâu thấm trung bình (mm) Độ thẩm thấu S
Theo nghiên cứu của Kurapati, việc sử dụng bê tông NS và NSC có khả năng giảm thể tích lỗ rỗng thẩm thấu và giảm sự hấp thụ nước hiệu quả Cụ thể, khi bổ sung nano silic, thẩm thấu giảm tới 21% và sự hấp thụ nước giảm 36%.
Nghiên cứu của Gaitero và cộng sự [61] đã chỉ ra rằng các hạt nano silic có tác động tích cực đến việc giảm tỷ lệ khử canxi trong hồ xi măng Việc bổ sung nano silic không chỉ kiểm soát sự thoái hóa C-S-H do thẩm thấu canxi mà còn nâng cao độ bền tổng thể của vật liệu xi măng ở tất cả các giai đoạn.
Luận án Tiến sĩ nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện tính chất cơ học và độ bền của bê tông, nhằm nâng cao tuổi thọ và khả năng chống chịu của các công trình cầu Việc ứng dụng muối silic và nano silic sẽ góp phần tạo ra một loại bê tông có khả năng kháng lại các tác động của môi trường xâm thực, từ đó đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các công trình xây dựng.
Hình 1-10 Tổng lượng lỗ rỗng và sự phân bố đường kính lỗ rỗng
Do tính chất rửa trôi canxi, hiện tượng hòa tan và khuếch tán có ảnh hưởng đáng kể đến độ rỗng Tại thời điểm t0, sự có mặt của nano silic làm giảm độ rỗng, nhưng các tác động quan trọng nhất chỉ rõ ràng khi sự thoái hóa bắt đầu Ở t1, thể tích lỗ rỗng của mẫu chuẩn (REF) tăng gấp 4 lần, trong khi mẫu ADS chỉ tăng gấp 2 lần và các mẫu khác còn cao hơn Xu hướng này tiếp tục duy trì nhưng với tốc độ chậm hơn, cho đến khi REF gần như ổn định ở t4 Phân tích sự phân bố kích thước lỗ rỗng cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa REF và các mẫu khác; một nửa tổng lượng lỗ rỗng ở t1 nằm trong khoảng 1-0,1 μm, trong khi các mẫu khác chỉ chiếm ít hơn 25% và thậm chí còn thấp hơn ở giai đoạn sau.
Sử dụng nano silic giúp giảm độ rỗng và nâng cao chất lượng bê tông với khả năng thấm và khuếch tán thấp Bê tông có thể chống lại axit hiệu quả hơn khi được phủ một lớp chống axit Nhờ vào độ rỗng thấp, bê tông nano ít bị ảnh hưởng bởi tác động axit Nói chung, các hỗn hợp bê tông chất lượng cao cho thấy khả năng kháng axit vượt trội so với bê tông thông thường.
Sử dụng nano silic trong bê tông giúp giảm lượng lỗ rỗng, từ đó tăng cường độ nén và giảm dẫn điện Ngoài ra, nó còn có khả năng giảm sự hấp thụ nước lên đến 35%, góp phần tăng tuổi thọ của kết cấu và giảm chi phí xây dựng.
Said và cộng sự [98] đo độ sâu thâm nhập của ion clorua bằng phép đo màu và nhận thấy
Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển bê tông chất lượng cao bằng cách sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực Kết quả cho thấy độ sâu thâm nhập của ion clo trong bê tông có hàm lượng SiO2 6% nano thấp hơn so với bê tông không có nano-SiO2, cho thấy khả năng chống xâm thực tốt hơn của bê tông sử dụng nano silic.
Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic
Các nghiên cứu bê tông sử dụng phụ gia muội silic
Muội silic là các hạt thủy tinh mịn với diện tích bề mặt lên tới 20,000 m²/kg, đo bằng kỹ thuật hấp thụ nitơ Hầu hết các hạt muội silic có kích thước nhỏ hơn 1µm, với đường kính trung bình khoảng 0,1µm, nhỏ hơn kích thước hạt xi măng khoảng 100 lần Khối lượng riêng của muội silic thường là 2,2 g/cm³, nhưng cũng có thể đạt trên 2,5 g/cm³.
Trong vài thập kỷ qua, bê tông xi măng đã có những cải tiến đáng kể, đặc biệt trong việc sản xuất bê tông HSC và HPC bằng cách kết hợp muội silic và tro bay Việc sử dụng muội silic một cách hợp lý không chỉ nâng cao độ kết dính và cường độ của bê tông mà còn cải thiện độ thấm và độ bền trong cả trạng thái tươi và hóa cứng.
Nghiên cứu của GS Vishal và cộng sự cho thấy bê tông thường và bê tông thay thế với tỷ lệ silica fume (SF) 5%, 10%, 15% và 20% có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ nén Tỷ lệ xi măng nước được sử dụng là 0,5 và 0,6 Kết quả thử nghiệm bê tông sau 3, 7 và 28 ngày cho thấy cường độ nén đạt giá trị tối ưu khi thay thế 10% SF.
Ajileye và cộng sự [20] đã nghiên cứu việc thay thế xi măng lên đến 10% bằng tro bay (SF), cho thấy sự gia tăng cường độ nén của bê tông mác M30 Tuy nhiên, khi tỷ lệ thay thế lên đến 15% SF, cường độ nén giảm đáng kể, cụ thể là giảm 3,7%.
Theo nghiên cứu của Ghutke và Bhandari, cường độ nén tối ưu đạt được khi sử dụng 10% muội silic Khi hàm lượng muội silic tăng lên từ 10% đến 15%, cường độ nén có xu hướng giảm Tuy nhiên, với hàm lượng muội silic 15%, cường độ nén vẫn cao hơn so với mẫu đối chứng.
Vikas Srivastava và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu bê tông M25 với việc thay thế muội silic ở các tỷ lệ 5%, 10%, 15%, 20%, 25% và 30% theo trọng lượng xi măng Kết quả cho thấy mức thay thế tối ưu là 5%, giúp cải thiện đáng kể cường độ nén của bê tông ở tuổi 7 và 28 ngày so với bê tông đối chứng.
Roy và cộng sự đã xác định rằng khi thay thế 10% xi măng bằng muội silic cao, cường độ nén tối đa của bê tông (cả khối lập phương và khối trụ) tăng lần lượt 19,6% và 16,82% so với bê tông thông thường Cường độ ép chẻ và cường độ kéo uốn của bê tông 10%SF lần lượt đạt 3,61 N/mm² và 4,93 N/mm², tăng khoảng 38,58% và 21,13% so với bê tông thông thường (2,6 N/mm² và 4,07 N/mm²).
Nghiên cứu của Shanmugapriya và cộng sự cho thấy muội silic (SF) ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa xi măng và nhiệt độ bê tông Khi thay thế 8% xi măng bằng muội silic, nhiệt độ bê tông tương tự như bê tông poóc lăng đối chứng trong khoảng 18 giờ ở nhiệt độ ban đầu 30°C Tuy nhiên, sau 24 giờ, nhiệt độ của bê tông có chứa muội silic thấp hơn so với bê tông đối chứng Đặc biệt, bê tông với 8% SF đạt cường độ nén 28 ngày là 72,5 MPa, cao hơn đáng kể so với bê tông đối chứng chỉ đạt 59,2 MPa.
Luận án tiến sĩ nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực Nghiên cứu này nhằm cải thiện độ bền và khả năng chống chịu của bê tông trước các tác động của môi trường khắc nghiệt Việc áp dụng muối silic và nano silic không chỉ tăng cường tính chất cơ học mà còn nâng cao khả năng chống thấm, từ đó kéo dài tuổi thọ của công trình Các kết quả từ nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng vật liệu mới trong xây dựng cầu, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.
Nghiên cứu của Perumal & Sundararajan [88] chỉ ra rằng việc sử dụng 10% silica fume (SF) thay thế cho xi măng có ảnh hưởng tích cực đến cường độ và độ bền của bê tông HPC với cường độ M60, M70 và M110 Kết quả cho thấy cường độ nén tối ưu đạt được ở 28 ngày tuổi.
Nghiên cứu của Amarkhail và cộng sự cho thấy muội silic có thể thay thế tới 10% xi măng trong bê tông cường độ cao mà không làm giảm khả năng làm việc Bê tông chứa 10% muội silic đạt được cường độ nén tối đa, trong khi thay thế 15% chỉ tạo ra sự khác biệt nhỏ Đặc biệt, bê tông với 15% muội silic đạt cường độ kéo uốn cao nhất Do đó, việc thay thế 10% và 15% xi măng bằng muội silic được coi là phù hợp để nâng cao cường độ nén và cường độ uốn của bê tông.
Nghiên cứu của Smuralidharan và cộng sự [109] cho thấy bê tông xi măng thêm muội silic với hàm lượng từ 0 đến 10% (bước nhảy 2%) ảnh hưởng đến độ pH, độ mài mòn và khả năng thấm ion clo Kết quả cho thấy cả tác động tích cực và tiêu cực đến hiện tượng ăn mòn thép, tuy nhiên, các yếu tố tích cực vượt trội hơn nhiều so với tiêu cực Hiệu quả rõ ràng nhất của muội silic được ghi nhận ở mức sử dụng 8%.
Nguyễn Công Thắng đã nghiên cứu chế tạo bê tông UHPC và đạt được cường độ nén tối đa là 152MPa với 10% SF trong điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn, và 160MPa trong điều kiện dưỡng hộ nhiệt ẩm.
GS.TS Phạm Duy Hữu và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu độ thấm ion clo của bê tông cấp 60 và 80 MPa, sử dụng sự kết hợp 15% tro bay (FA) và 7% silica fume (SF) Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng độ thấm ion clo của bê tông được cải thiện đáng kể khi áp dụng các vật liệu phụ gia này.
Bê tông đạt cường độ 60 MPa ở tuổi 28 ngày tương đương 718 culông, trong khi bê tông 80 MPa đạt 205 culông Đối với các công trình xây dựng ở biển và ven biển, nên sử dụng bê tông có muội silic từ 5-6% và tro bay từ 15-20% Nếu mức độ ăn mòn thấp, có thể chọn bê tông với muội silic từ 5-7% mà không cần tro bay để tăng cường độ bền.
Nghiên cứu bê tông xi măng có phụ gia nano silic trên thế giới
Nano silic có tác dụng cải thiện tính chất cơ học của bê tông và vữa bằng cách lấp đầy khoảng trống giữa các hạt silic vô định hình, từ đó tăng độ chặt, giảm độ xốp và cải thiện liên kết giữa hỗn hợp vữa xi măng Nghiên cứu cho thấy bê tông có cường độ nén và uốn cao hơn khi bổ sung nano silic Tuy nhiên, hiệu quả của nano silic phụ thuộc vào bản chất và phương pháp sản xuất, với lượng sử dụng tối đa thường từ 5% đến 10% dựa trên trọng lượng xi măng Nếu hàm lượng nano silic quá cao, có thể dẫn đến co ngót tự phát và tăng nguy cơ nứt, do đó cần sử dụng phụ gia siêu dẻo và thực hiện bảo dưỡng thích hợp.
Luận án tiến sĩ nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện tính chất cơ học và độ bền của bê tông thông qua việc ứng dụng công nghệ nano, nhằm nâng cao hiệu quả và tuổi thọ của các công trình cầu Việc sử dụng muối silic và nano silic không chỉ giúp tăng cường khả năng chống thấm mà còn giảm thiểu tác động của môi trường xâm thực, từ đó đảm bảo an toàn và bền vững cho các công trình xây dựng.
Nghiên cứu của Jing Xu và cộng sự chỉ ra rằng việc bổ sung nano silic có tác động tích cực đến vùng chuyển tiếp trong bê tông Ở cấp độ vĩ mô, cường độ nén và uốn được cải thiện rõ rệt, cho thấy chất lượng vùng chuyển tiếp (ITZ) được nâng cao Ở cấp vi mô, nano silic thúc đẩy quá trình hydrat hóa, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện ITZ trong giai đoạn đầu.
Nghiên cứu của Gopinath và cộng sự [52] chỉ ra rằng việc sử dụng nano silic trong bê tông thông thường không làm tăng cường độ nén đáng kể khi hàm lượng vượt quá 2,0% trọng lượng xi măng Thậm chí, cường độ nén có xu hướng giảm nhẹ khi hàm lượng nano silic đạt 3,0% trọng lượng xi măng Tỷ lệ tối ưu để thay thế nano silic được xác định là 2,0% trọng lượng xi măng, phù hợp với kết quả từ nghiên cứu của Sarade và cộng sự [101] cũng như nghiên cứu kết hợp tro bay và nano silic của X Gao và Brouwers [116].
Nghiên cứu của Hongjian Du và cộng sự cho thấy bê tông OPC chứa nano silic 0,3% và 0,9% có đặc tính độ bền vượt trội Ba cấp phối được thiết kế bao gồm bê tông OPC, bê tông nano silic 0,3% và nano silic 0,9%, với cường độ nén được xác định ở các mốc thời gian 7, 28 và 91 ngày qua 3 mẫu trụ kích thước 100x200mm Thí nghiệm thấm nước được thực hiện trên 2 mẫu hình trụ trong điều kiện áp suất 0,75 MPa trong 7 ngày, với nước hấp thụ được xác định qua lát cắt hình trụ 100x500mm Kết quả cho thấy phản ứng pozzolanic rõ ràng của nano silic với xi măng pooclăng, dẫn đến cấu trúc vi mô bê tông đồng nhất hơn, ít xốp hơn, từ đó giảm tính thấm, tăng cường độ nén và cải thiện khả năng chống nước xâm nhập cũng như ăn mòn hóa học từ ion clo.
Ehsan Ghafari và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của nano silic đến độ bền của bê tông chất lượng siêu cao (UHPC), sử dụng nano silic với diện tích bề mặt riêng 160 ± 20m²/g, độ tinh khiết B50 giảm 1 cấp >B55 giảm 1 cấp
Các cấu kiện dạng tấm Giảm 1 cấp Giảm 1 cấp
Có sự kiểm soát đặc biệt quá trình sản xuất bê tông Giảm 1 cấp Giảm 1 cấp
Chiều dày tối thiểu bê tông bảo vệ cốt thép theo loại và mức độ xâm thực của môi trường, được qui định cho cốt thép thường tại Bảng 4-10
Bảng 4-10 Yêu cầu chiều dày tối thiểu của lớp bê tông bảo vệ cốt thép thường
Cấp cấu tạo độ bền lâu và tuổi thọ
Chiều dày tối thiểu lớp bê tông bảo vệ theo từng loại môi trường và mức độ xâm thực, mm
Mô hình dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông do ăn mòn clo
Có nhiều phương pháp dự báo tuổi thọ kết cấu bê tông bị ảnh hưởng bởi ăn mòn clo trong các điều kiện khác nhau Luận án này lựa chọn phương pháp tính toán dựa trên tài liệu của GS.TS Phạm Duy Hữu để xác định tuổi thọ cho bê tông nghiên cứu, phù hợp với tiêu chuẩn TCVN12041-2017.
Các kết cấu cầu bê tông cốt thép trong môi trường biển dễ bị xâm nhập bởi ion clo, dẫn đến sự tích tụ trên bề mặt cốt thép Khi nồng độ ion clo đạt ngưỡng tới hạn, hiện tượng ăn mòn cốt thép bắt đầu xảy ra, làm giảm diện tích mặt cắt ngang của cốt thép và tạo ra các sản phẩm ăn mòn Những sản phẩm này gây nở thể tích, tạo ra ứng suất kéo trong lớp bê tông bảo vệ, dẫn đến nứt vỡ lớp bê tông này.
Theo ACI 365 [25], quá trình hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép gồm hai giai đoạn: Giai
Nghiên cứu về bê tông chất lượng cao sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực tập trung vào việc phân tích giai đoạn khởi đầu và giai đoạn lan truyền ăn mòn Việc áp dụng muối silic và nano silic không chỉ cải thiện độ bền của bê tông mà còn tăng khả năng chống lại tác động của môi trường khắc nghiệt Những phát hiện này có thể góp phần nâng cao hiệu quả và tuổi thọ của các công trình cầu, đặc biệt trong các khu vực có độ ăn mòn cao.
Trong đó: ti là giai đoạn khởi đầu ăn mòn (initiation period) tp là giai đoạn lan truyền ăn mòn (propagation period)
Giai đoạn khởi đầu ăn mòn (ti) là khoảng thời gian bắt đầu từ khi kết cấu tiếp xúc với ion clo cho đến khi nồng độ ion clo xâm nhập vào bê tông, tập trung trên bề mặt cốt thép, đạt đến mức gây ra hiện tượng ăn mòn.
Giai đoạn lan truyền ăn mòn (tp) là khoảng thời gian từ khi cốt thép bắt đầu bị ăn mòn cho đến khi ăn mòn gây ra nứt hoàn toàn bê tông bảo vệ hoặc làm giảm diện tích tiết diện cốt thép, dẫn đến kết cấu không còn khả năng chịu lực Sự phát triển của ăn mòn tạo ra các sản phẩm như gỉ, gây ra nứt, vỡ và tách lớp bê tông bảo vệ, làm mất diện tích tiết diện cốt thép và gây nguy hiểm cho sự an toàn của kết cấu.
Xây dựng mô hình dự báo thời gian khởi đầu ăn mòn
Thời gian khởi đầu ăn mòn thép trong bê tông do xâm nhập clo được xác định là khoảng thời gian cần thiết để clo khuếch tán qua bê tông và đạt đến nồng độ tới hạn tại cốt thép Nồng độ clo này tích lũy dần theo thời gian và thay đổi theo chiều sâu của bê tông.
Mô hình dự báo thời kỳ khởi đầu dựa trên định luật thứ hai của Fick về khuếch tán
Theo Định luật thứ hai của Fick, phương trình vi phân mô tả sự thay đổi nồng độ và градиент nồng độ theo thời gian Giải phương trình này cho phép xác định thời gian khởi đầu của quá trình ăn mòn.
C(x,t) : là nồng độ clo tại chiều sâu x và thời gian t
D : là hệ số khuếch tán clo trong bê tông x : là chiều sâu tính từ bề mặt của bê tông t : là thời gian
Khi D không đổi theo thời gian và nồng độ clo bề mặt là hằng số, giải phương trình (4-2) ta có:
Trong đó: Cs : là nồng độ clo tại bề mặt bê tông
C0 : là nồng độ clo ban đầu trong bê tông
Luận án tiến sĩ nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực Nghiên cứu này nhằm cải thiện độ bền và khả năng chống chịu của bê tông trong các điều kiện khắc nghiệt, đồng thời tối ưu hóa thành phần vật liệu để nâng cao hiệu suất công trình Việc áp dụng muối silic và nano silic không chỉ giúp tăng cường tính chất cơ học mà còn cải thiện khả năng chống thấm và chống ăn mòn, từ đó kéo dài tuổi thọ của cầu Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc thiết kế và thi công các công trình cầu bền vững trong tương lai.
Khi nồng độ clo C(x,t) tại bề mặt cốt thép bằng ngưỡng nồng độ gây ăn mòn Cth thì cốt thép bắt đầu bị ăn mòn (gỉ) c th i
C(x,t) x=d t=t =C t i là thời gian khởi đầu ăn mòn
Xác định hệ số khuếch tán clo từ thí nghiệm thấm ion clo ASTM C1202 Theo kết quả nghiên cứu của ShaSFad Ahmad và cộng sự [105]
Phương trình liên hệ giữa hệ số khuếch tán và mức độ thấm ion clo trong bê tông giúp xác định hệ số khuếch tán của bê tông Mối tương quan này cung cấp hướng dẫn thực nghiệm cho việc xác định hệ số khuếch tán clo khi đã biết mức độ thấm clo.
Công thức tính hệ số khuếch tán ion clo như sau: Bê tông sử dụng muội silic [105]:
CDC: Hệ số khuếch tán ion Clo của bê tông (x10 -8 cm 2 /s) RCP: Mức độ thấm ion Clo (Coulombs)
Hooton và các cộng sự (1992) đã nghiên cứu mối tương quan giữa các hệ số khuếch tán clo và số điện lượng coulombs trong thí nghiệm bê tông ở tuổi 28 ngày Nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng về khả năng khuếch tán của clo trong bê tông, giúp hiểu rõ hơn về tính chất và hiệu suất của vật liệu này.
Thời gian bắt đầu ăn mòn do clo theo Duracrete xảy ra khi nồng độ clorua xung quanh cốt thép vượt quá giới hạn cho phép.
Thời gian khởi đầu ăn mòn:
Luận án tiến sĩ nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực Nghiên cứu này nhằm cải thiện độ bền và khả năng chống chịu của bê tông trong các điều kiện khắc nghiệt, đồng thời tối ưu hóa các thành phần vật liệu để nâng cao hiệu suất công trình cầu Việc ứng dụng muối silic và nano silic không chỉ tăng cường tính chất cơ học của bê tông mà còn giúp bảo vệ kết cấu khỏi sự ăn mòn và hư hại do tác động của môi trường.
Giá trị thiết kế của nồng độ clo giới hạn là c d cr, trong khi c d s,cl đại diện cho giá trị thiết kế của nồng độ clo bề mặt Thêm vào đó, x d là giá trị thiết kế của chiều dày lớp bê tông bảo vệ.
R d cl : Giá trị thiết kế sức kháng clo Giá trị thiết kế của nồng độ clo giới hạn có thể được xác định: d c cr cr ccr c =c 1
Trong đó: γ ccr hệ số riêng phần cho nồng độ clo giới hạn Giá trị thiết kế của nồng độ clo bề mặt được xác định theo công thức
( ) d s,cl Cs,cl ccr c =A N / CKD (4-9)
ACs,cl là tham số hồi quy quan trọng mô tả mối quan hệ chặt chẽ giữa nồng độ clo bề mặt và tỷ lệ nước chất kết dính (N/CKD), trong khi γ Cc,cl đóng vai trò là hệ số riêng phần điều chỉnh nồng độ bề mặt, giúp xây dựng mối quan hệ chính xác hơn giữa các yếu tố này.
Giá trị thiết kế của chiều dày lớp bê tông bảo vệ xác định theo công thức d c x = − x x (4-10)
Với Δxlà dung sai chiều dày lớp bảo vệ Giá trị thiết kế của sức kháng phụ thuộc vào thời gian c cl c d cl,0 cl n c c e,cl c,cl Rcl
Sức kháng của bê tông đối với sự xâm nhập của clorua được xác định qua thí nghiệm, với các hệ số quan trọng như k c c,cl (hệ số bảo dưỡng bê tông) và k c e,cl (hệ số môi trường) Thời gian thí nghiệm được đánh dấu bằng t0 (tuổi của bê tông), trong khi n c cl là hệ số tuổi, và γRcl là hệ số riêng phần liên quan đến sức kháng đối với xâm nhập clorua.
D0,cl : hệ số khuếch tán clo
Tính toán tuổi thọ kết cấu sử dụng bê tông chất lượng cao nano silic theo yêu cầu TCVN12041-2017
Tuổi thọ của kết cấu công trình được xác định bởi bộ phận có tuổi thọ thấp nhất Trong các công trình xây dựng ở vùng biển, như cầu hoặc cầu cảng, mố trụ là bộ phận chịu ảnh hưởng nghiêm trọng nhất từ hiện tượng ăn mòn ion clo.
Mố trụ cầu và cầu cảng nằm trong ba vùng không khí biển theo Bảng 4-7, tuy nhiên, kết cấu trong vùng XS3 (vùng thủy triều lên xuống và sóng táp) là phần nguy hiểm nhất cho công trình.
Tương ứng với cường độ bê tông chất lượng cao của luận án thỏa mãn yêu cầu về chất lượng bê tông trong môi trường xâm thực theo Bảng 4-8
Lựa chọn thiết kế tuổi thọ 100 năm cho công trình với cấp cường độ chịu nén bê tông
B55 tương ứng với cấp cấu tạo độ bền lâu và tuổi thọ S5, với chiều dày bê tông bảo vệ cho ba vùng khí hậu XS1, XS2 và XS3 lần lượt là 40mm, 45mm và 50mm theo quy định trong Bảng 4-10.
Luận án khảo sát và tính toán độ bền kết cấu trong môi trường biển với cấp độ bền S5, sử dụng bê tông chất lượng cao nano silic Chiều dày bê tông bảo vệ được nghiên cứu ở các mức 40-45-50-55-60mm, với thành phần tối ưu có hàm lượng nước (N/CKD=0,26) và nano silic ở hai cấp phối 1,2% và 2,8% Hai cấp phối bê tông được ký hiệu là C70-1,2NS và C70-2,8NS Các bước tính toán tuổi thọ kết cấu đã được tiến hành theo quy trình đã xác định.
Thời gian lan truyền ăn mòn được tính bằng công thức tr = ti + tp (năm), trong đó tp (giai đoạn lan truyền ăn mòn) được xác định là 6 năm theo Life 365 Giai đoạn khởi đầu ăn mòn ti được tính toán dựa trên phương pháp Duracrete.
Tính toán thời gian lan truyền ăn mòn t i
Xác định hệ số khuếch tán: Giá trị hệ số khuếch tán ion clo được xác định theo công
Luận án tiến sĩ nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện tính chất vật liệu bê tông nhằm tăng cường độ bền và khả năng chống thấm Thực nghiệm được thực hiện dựa trên phương pháp thấm nhanh của ShaSSFad và Hooton, nhằm đánh giá hiệu quả của các thành phần bổ sung này trong điều kiện môi trường khắc nghiệt Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp những thông tin giá trị cho việc thiết kế và thi công các công trình cầu bền vững và an toàn.
Dựa trên kết quả thực nghiệm từ chương 2 của luận án về hai loại cấp phối bê tông C70-1,2NS và C70-2,8NS (tỷ lệ N/CKD=0,26), bảng kết quả thí nghiệm đo điện lượng cho thấy cấp phối bê tông 1 và 3 có giá trị điện lượng đo được lần lượt là 143 Culombs cho C70-1,2NS và 86 Culombs cho C70-2,8NS Hệ số khuếch tán được tính toán và trình bày trong Bảng 4-12.
Bảng 4-12 Giá trị hệ số khuếch tán của các loại bê tông theo các công thức kinh nghiệm
Cấp bê tông Điện lượng (Culombs)
Hệ số khuếch tán (m 2 /s) Theo Shamsad Theo Hooton
Kết quả thí nghiệm thấm nhanh theo tiêu chuẩn ASTM C1202 cho thấy hệ số khuếch tán của bê tông HPC có giá trị D biến đổi từ 10^-13 m²/s đến 10^-12 m²/s, phù hợp với các công thức kinh nghiệm được liệt kê trong Bảng 4-12.
Luận án lựa chọn phương pháp tính toán của Shamsad để xác định hệ số khuếch tán D cho bê tông HPC sử dụng muội silic, dựa trên kết quả thí nghiệm độ thấm nhanh theo tiêu chuẩn ASTM C1202, thay vì phương pháp của Hooton dành cho bê tông thường.
Xác định các tham số khác:
Các hệ số được xác định dựa trên điều kiện làm việc khó khăn nhất của kết cấu theo TCVN 12041-2017, với tham khảo lựa chọn các hệ số từ tài liệu [8].
Bảng 4-13 Hệ số của phương trình (4-7) Đại lượng Biến Điều kiện Giá trị Đơn vị
Giá trị đặc trưng của hệ số bảo dưỡng kc,cl
Bảo dưỡng 28 ngày 0,79 - Giá trị đặc trưng của hệ số môi trường k e,cl GGBS, vùng sóng vỗ 0,78 -
Giá trị đặc trưng của tham số hồi quy ACs,cl ACs,cl
SF, thủy triều và sóng vỗ 8,96
[%] so với chất kết dính Giá trị đặc trưng của các hệ số tuổi cho xâm nhập clorua ncl SF, thủy triều và sóng vỗ 0,39 -
Giá trị đặc trưng của nồng độ clorua tới hạn ccr OPC, w/b=0,3, thủy triều và sóng vỗ 0,9
[%] so với chất kết dính
Kết quả tính toán tuổi thọ theo độ bền cho kết cấu bê tông chất lượng cao nano silic
Dự đoán tuổi thọ của kết cấu trong môi trường biển cho thấy rằng việc sử dụng bê tông chất lượng cao có bổ sung nano silic có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu đựng trong điều kiện bất lợi nhất Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc áp dụng công nghệ vật liệu tiên tiến để nâng cao độ bền và tuổi thọ của các công trình xây dựng ven biển.
Bảng 4-14 Kết quả tính toán tuổi thọ bê tông chất lượng cao nano silic
Bê tông (mm) (mm) (năm/mm 2 ) (m 2 /s) (năm) (năm) (năm)
Luận án tiến sĩ nghiên cứu bê tông chất lượng cao, sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực Nghiên cứu này nhằm cải thiện độ bền và tính ổn định của bê tông, đồng thời nâng cao khả năng chống chịu với các yếu tố môi trường khắc nghiệt Việc áp dụng công nghệ mới như muối silic và nano silic sẽ giúp tăng cường hiệu suất và tuổi thọ của công trình, đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững trong ngành xây dựng.
Bê tông (mm) (mm) (năm/mm 2 ) (m 2 /s) (năm) (năm) (năm)
Hình 4-3 Tuổi thọ kết cấu thay đổi theo chiều dày bê tông bảo vệ và hàm lượng NS
Nhận xét
Việc áp dụng bê tông chất lượng cao nano silic cho các bộ phận kết cấu đã cho thấy kết quả khả quan trong việc tính toán tuổi thọ thiết kế và độ bền lâu trong môi trường xâm thực, theo tiêu chuẩn TCVN12041-2017 Trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường biển XS3, với cấp cấu tạo độ bền S5 (bê tông bảo vệ 50mm), tuổi thọ của kết cấu tăng lên 256 năm khi sử dụng 1,2% nano silic, và đạt tới 482 năm khi sử dụng 2,8% nano silic, vượt xa yêu cầu tuổi thọ 100 năm của công trình.
Bài toán chỉ khảo sát một biến là hệ số khuếch tán thông qua giá trị điện lượng đo được Trong thực tế, kết cấu công trình chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố khác nhau, tác động đến tuổi thọ của nó Tuy nhiên, trong phạm vi của luận án, nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả tích cực của nano silic khi được thêm vào.
Thời gian khởi đầu ăn mòn ti (năm)
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ (mm)
TUỔI THỌ KẾT CẤU BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO NANO SILIC
Nghiên cứu về bê tông chất lượng cao sử dụng muối silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thực cho thấy khả năng chống ăn mòn ion clo là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tuổi thọ công trình Việc áp dụng các vật liệu này không chỉ nâng cao độ bền mà còn đảm bảo tính ổn định lâu dài của các công trình xây dựng.