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

Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic cho kết cấu công trình cầu trong môi trường xâm thựcNghiên 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

LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà Nội, 08 - 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

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

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 522.6 Thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý của bê tông muội silic nano silic theo cấp phối tối

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

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

3.7 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 quan823.7.5 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

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

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 2-14 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

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 102Bảng 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

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

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

Hình 4-2 Sơ đồ bố trí cáp dự ứng lực theo phương dọc dầm U38m 100Hình 4-3 Tuổi thọ kết cấu thay đổi theo chiều dày bê tông bảo vệ và hàm lượng NS 109

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)

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

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

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

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

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 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-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

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]

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 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 [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]

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

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

nano silic là 35nm Phụ gia siêu dẻo, phụ gia siêu giảm nước polycarboxylate trên hỗn hợp đã được sử dụng với các tỷ lệ khác nhau Tỷ lệ nước/xi măng là 0,4 và nano silic với ba hàm lượng khác nhau là 0%, 3% và 6%

1.2.2 Tính công tác của cấp phối bê tông

Tính công tác và tính ổn định của bê tông nano silic

Ảnh hưởng của nano silic và muội silic lên tính công tác và tính ổn định của bê tông Nano silic và muội silic làm tăng tính chất vận chuyển và độ nhớt trong vữa Điều đó có thể mang lại tính lưu biến, hiệu ứng đồng vận có thể tăng chất lượng cơ học tốt hơn trong khi vẫn duy trì đủ tính lưu động cho vữa tự cố kết [21]

Thực hiện so sánh kết quả của các thí nghiệm khác nhau về cường độ bê tông không và có bổ sung nano silic Trong các nghiên cứu dưới đây so sánh tính chất cơ học khi sử dụng nano silic khác nhau, phụ gia siêu dẻo khác nhau, và tỷ số nước/xi măng khác nhau Mondal và cộng sự [82] đã nghiên cứu và so sánh hiệu quả của muội silic và nano silic Phân tích 4 trường hợp: Hồ xi măng thường, thay thế 15% muội silic theo trọng lượng xi măng, thay thế 6% nano silic theo trọng lượng xi măng, thay thế 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

Sự kết tinh

Canxi hydroxit (CH) được hình thành trong quá trình hydrat hóa trong bê tông vẫn ở dạng tinh thể Kết tinh của canxi hydroxit ảnh hưởng tiêu cực đến 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

1.2.3 Tính chất ảnh hưởng đến độ bền bê tông

Cường độ tuổi sớm

Theo Liu M [75] và Forood Torabian Isfahani [48] thêm nano silic vào cấp phối bê tông xi măng có thể thúc đẩy quá trình thủy hóa sớm của bê tông, điều này rất có lợi cho việc tăng cường cường độ sớm của bê tông Tiến hành thí nghiệm hồ xi măng với hàm lượng NS 1,5% và 2% Kết quả cường độ nén 28 ngày của hồ xi măng có 1,5% và 2,5% NS tăng so với mẫu đối chứng lần lượt là 14,6% và 30% Tương tự cường độ mẫu ở tuổi 3 và 7 ngày cũng tăng so mẫu đối chứng Hình 1-8

Hình 1-8 Cường độ hồ xi măng sau 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày

Tính thấm

Cũng giống như những hạt cát đóng vai trò như một loại vật liệu để lấp đầy cấp phối thô, nano silic đóng vai trò như chất độn trong cấp phối bê tông vì kích thước nhỏ của nó

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

Ngoài ra, Shi và cộng sự [107] đã nghiên cứu tính thấm và cấu trúc vi mô của vữa xi măng pooclăng với bốn loại vật liệu nano khác nhau Nghiên cứu này khẳng định rằng việc bổ sung nano silic và nano-clay đã cải thiện đáng kể tính chống thấm clorua cũng như tính thấm ion tổng hợp của vữa xi măng

Một nghiên cứu thực nghiệm thực hiện bởi Ji [65] cho thấy rằng việc bổ sung nano silic vào hỗn hợp đã cải thiện khả năng chống thấm nước của bê tông

Bảng 1-2 Kết quả thí nghiệm thấm với bê tông xi măng có nano silic [65]

Thành phần cấp phối bê tông

Nano-SiO2

(kg/m3)

Xi măng (kg/m3)

Tro bay (kg/m3)

Nước (kg/m3)

Cát (kg/m3)

Đá dăm (kg/m3)

Phụ gia TW-7(kg/m3)

(Mpa)

Áp lực nước H

Chống calcium hóa

Gaitero và cộng sự [61] đã nghiên cứu và chứng minh ảnh hưởng của các hạt nano silic đến sự giảm tỷ lệ khử canxi trong hồ xi măng và kết luận rằng việc bổ sung nano silic có thể kiểm soát sự thoái hóa C-S-H do thẩm thấu canxi và có thể làm tăng cường độ tổng thể vật liệu xi măng ở mọi giai đoạn

Hình 1-10 Tổng lượng lỗ rỗng và sự phân bố đường kính lỗ rỗng Do tính chất rửa trôi canxi, liên quan đồng thời đến hiện tượng hòa tan và khuếch tán, kết quả này có nhiều ảnh hưởng bởi các thay đổi của độ rỗng Hình 1-10, tại thời điểm t0 khi có nano silic nó làm giảm độ rỗng, mặc dù các hiệu ứng quan trọng nhất trở nên rõ ràng khi sự thoái hóa bắt đầu Tại thời điểm t1, thể tích lỗ rỗng của mẫu chuẩn (respect to the reference-REF) đã tăng lên 4 lần, trong khi đó hệ số này giảm xuống còn 2 ở ADS và thậm chí còn cao hơn ở những mẫu khác Xu hướng này được duy trì theo thời gian nhưng ở tốc độ chậm hơn, cho đến khi REF gần như ổn định ở t4, Ngoài ra, phân tích sự phân bố kích thước lỗ rỗng trong quá trình thoái hóa, thấy sự khác biệt trong REF so với các mẫu khác Trong khi một nửa tổng lượng lỗ rỗng ở t1 trong phạm vi 1-0,1 μm, trong số khác nó chiếm ít hơn 25% và thậm chí còn thấp hơn ở giai đoạn sau

Chống ăn mòn axit

Khi sử dụng nano silic thì độ rỗng càng thấp và có chất lượng vượt trội về độ thấm thấp và độ khuếch tán thấp Theo một cách khác, khả năng chống lại axit của bê tông cũng có thể bằng cách tạo cho bề mặt của nó một lớp phủ chống axit [69] Bê tông nano có độ rỗng thấp nên tác động axit trên bê tông thấp hơn Nhìn chung, người ta nói rằng tất cả các hỗn hợp bê tông chất lượng cao đều có khả năng kháng axit tốt hơn so với bê tông thông thường [96]

Chống thấm ion clo

Sử dụng nano silic giảm lượng lỗ rỗng trong bê tông sẽ làm tăng cường độ nén và giảm dẫn điện Mặt khác, nó có thể làm giảm sự hấp thụ nước lên đến 35% Vì vậy, sử dụng loại bê tông này có thể làm tăng đáng kể tuổi thọ của kết cấu và giảm chi phí xây dựng [81] Said và cộng sự [98] đo độ sâu thâm nhập của ion clorua bằng phép đo màu và nhận thấy

rằng độ sâu thâm nhập của ion clo trong bê tông với hàm lượng SiO2 6% nano là thấp hơn so với bê tông không có nano-SiO2,

1.3 Nghiên cứu bê tông chất lượng cao sử dụng muội silic và nano silic

1.3.1 Các nghiên cứu bê tông sử dụng phụ gia muội silic

Muội silic bao gồm các hạt thủy tinh rất mịn với một diện tích bề mặt lên tới 20,000m2/kg khi được đo bằng kỹ thuật hấp thụ nitơ Sự phân bố về mặt kích thước hạt của một loại khói ôxít silic điển hình cho thấy hầu hết các hạt đều nhỏ hơn 1µm, đường kính trung bình khoảng 0,1µm nhỏ hơn kích thước của hạt xi măng khoảng 100 lần Khối lượng riêng của muội silic phổ biến là 2,2g/cm3, nhưng cũng có thể cao hơn 2,5g/cm3 [55]

Trong vài thập kỷ qua, đã có những bước tiến lớn trong việc cải thiện tính năng của bê tông xi măng, để sản xuất bê tông HSC hoặc HPC thông thường kết hợp muội silic và tro bay hoặc riêng lẻ Sử dụng muội silic đúng cách và ở mức độ nhất định sẽ nâng cao các đặc tính khác nhau của bê tông cả ở trạng thái bê tông tươi cũng như ở trạng thái hóa cứng: như độ kết dính, cường độ, độ thấm và độ bền

GS Vishal và cộng sự [90] nghiên cứu bê tông thường và bê tông thay thế SF 5%, 10%, 15%, 20% Tỷ lệ xi măng nước là 0,5 và 0,6 Kết quả được lấy từ việc thử nghiệm bê tông vào 3, 7 và 28 ngày đã đưa ra giá trị tối ưu của cường độ nén đạt được tối ưu khi thay thế 10% SF

Ajileye và cộng sự [20] thay thế xi măng lên đến 10% bằng SF giúp tăng cường độ nén cho bê tông mác M30 Cường độ giảm khi dùng từ 15%SF, cường độ nén bị giảm 3, 7, 14 và 28 ngày

Theo Ghutke & Bhandari [51] cường độ nén đạt được tối ưu khi thay thế hàm lượng muội silic 10% Hàm lượng muội silic sử dụng từ 10% đến 15% thì cường độ nén giảm xuống, nhưng khi hàm lượng muội silic 15% cường độ vẫn cao hơn mẫu đối chứng

Vikas Srivastava và cộng sự [114] đã nghiên cứu bê tông thường M25 thay thế muội silic ở các mức 5%, 10%, 15%, 20%, 25% và 30% (theo trọng lượng xi măng) Mức thay thế tối ưu của xi măng bằng muội silic được tìm thấy là 5% Cường độ nén của bê tông sử dụng muội silic ở tuổi 7 và 28 ngày cải thiện đáng kể so với bê tông đối chứng

Roy và cộng sự [95] đã quan sát xác định cường độ nén tối đa (cả khối lập phương và khối trụ) khi thay thế 10% xi măng bằng muội silic cao hơn (lần lượt là 19,6% và 16,82%) so với giá trị bê tông thông thường Cường độ ép chẻ và cường độ kéo uốn của bê tông 10%SF (tương ứng là 3,61N/mm2 và 4,93N/mm2) tăng tương ứng khoảng 38,58% và 21,13% so với của bê tông thường (2,6N/mm2 và 4,07N/mm2 tương ứng)

Shanmugapriya và cộng sự [106] đã nghiên cứu ảnh hưởng của muội silic đối với quá trình thủy hóa xi măng và tăng nhiệt độ Với nhiệt độ ban đầu là 30°C, sự tăng nhiệt độ đoạn nhiệt của bê tông với 8%SF khi thay thế xi măng tương tự như của bê tông xi măng poóc lăng đối chứng lên đến khoảng 18 giờ Tuy nhiên, sau 24 giờ nhiệt độ của bê tông muội silic thấp hơn nhiệt độ của bê tông đối chứng Bê tông sử dụng 8% SF có cường độ nén 28 ngày (72,5 MPa) cao hơn so với bê tông đối chứng (59,2 MPa)

Perumal & Sundararajan [88] nghiên cứu ảnh hưởng SF đối với đặc tính cường độ và độ bền của bê tông HPC có cường độ M60, M70 và M110, Cường độ nén 28 ngày tuổi và độ bền tối ưu khi sử dụng 10%SF thay thế xi măng

Amarkhail và cộng sự [23] nghiên cứu ảnh hưởng của muội silic với bê tông cường độ cao Kết quả cho thấy có thể thay thế tới 10% xi măng bằng muội silic mà không ảnh hưởng đến khả năng làm việc của bê tông Bê tông chứa 10% SF thay thế đạt được cường độ nén cao nhất, thay thế SF 15% chỉ có khác biệt nhỏ Bê tông với 15% hàm lượng muội silic đạt được cường độ kéo uốn cao nhất Với 10% và 15% SF khi thay thế xi măng được coi là lượng phù hợp để nâng cao cường độ nén và cường độ uốn tương ứng

Nghiên cứu Smuralidharan và cộng sự [109] bê tông xi măng thêm muội silic với hàm lượng từ 0 đến 10% (bước nhảy 2%) kết quả nghiên cứu về độ pH, độ mài mòn, thấm ino clo Kết quả nghiên cứu có cả tác động tích cực và tiêu cực đến các yếu tố kiểm soát hiện tượng ăn mòn thép Tuy nhiên các yếu tố tích cực vượt trột hơn nhiều so với tiêu cực Hiệu quả của muội silic mang lại rõ ràng nhất trong phạm vi sử dụng 8%

Nguyễn Công Thắng [12] nghiên cứu chế tạo bê tông UHPC và đã đưa ra kết quả hàm lượng 10%SF cường độ nén đạt được lớn nhất là 152MPa và 160MPa tương ứng ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm

GS.TS Phạm Duy Hữu và cộng sự [6] nghiên cứu độ thấm ion clo của bê tông cấp 60 và 80 MPa sử dụng kết hợp 15%FA và 7%SF Kết quả cho thấy độ thấm ion clo của bê tông 60 MPa ở tuổi 28 ngày là 718 culông Với bê tông 80 MPa ở tuổi 28 ngày là 205 culông; với các công trình xây dựng ở biển và ven biển nên dùng bê tông có muội silic từ 5-6% và 15-20% tro bay Nếu mức độ ăn mòn thấp để tăng độ bền có thể dùng bê tông có muội silic từ 5- 7% và không cần dùng tro bay

Nhận xét: Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về bê tông thường và bê tông

cường độ cao, đa số đều đưa ra kết quả hàm lượng muội silic thay thế chất kết dính trong khoảng 5 đến 10% Điều này hoàn toàn phù hợp với ACI211,4R-08 [27] (Hướng dẫn lựa chọn thành phần cho bê tông cường độ cao), tiêu chuẩn khuyến cáo hàm lượng muội silic thay thế từ 5 đến 15% xi măng Căn cứ trên những nghiên cứu và điều kiện có hạn của nghiên cứu sinh, để tập trung vào nghiên cứu vật liệu mới là nano silic luận án chọn hàm lượng muội silic thay thế cố định 8% chất kết dính

1.3.2 Nghiên cứu bê tông xi măng có phụ gia nano silic trên thế giới

Tác dụng phổ biến nhất của nano silic là tác động lên tính chất cơ học của bê tông và vữa Như đã được giải thích trước đó, việc bổ sung nano silic thêm vào các hạt nhỏ của silic vô định hình lấp đầy khoảng trống tăng độ chặt, giảm độ xốp và cải thiện liên kết giữa hỗn hợp vữa xi măng và cấp phối [73], [91], [104], [110] Kết quả nghiên cứu bê tông cho thấy cường độ nén và uốn cao hơn [110] Ngoài ra, tác dụng của nano silic phụ thuộc vào bản chất và phương pháp sản xuất (keo hoặc bột khô), mặc dù hiệu quả khi bổ sung nano silic, lượng sử dụng thường được kiểm soát tối đa mức độ từ 5% đến 10% dựa trên trọng lượng của xi măng, tùy thuộc vào tác giả Khi hàm lượng nano silic cao thì co ngót tự phát do quá trình phản ứng tăng, do đó dẫn đến khả năng nứt cao hơn Để tránh điều này phải có phụ gia siêu

Jing Xu và cộng sự [66] đã nghiên cứu hiệu ứng của nano silic trên vùng chuyển tiếp trong bê tông Ở cấp độ vĩ mô, cường độ nén và uốn cho thấy việc bổ sung nano silic có lợi cho việc cải thiện chất lượng vùng chuyển tiếp (ITZ) nói riêng Mặt khác, tại cấp vi mô, việc bổ sung nano silic đã đẩy nhanh quá trình hydrat hóa đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện vùng chuyển tiếp giao thoa (ITZ) trong thời kỳ đầu

Gopinath và cộng sự [52] nghiên cứu ảnh hưởng của nano silic đến bê tông thông thường kết quả cho thấy cường độ nén tăng không đáng kể khi hàm lượng các hạt nano silic lớn hơn 2,0% trọng lượng xi măng Cường độ nén cũng giảm nhẹ khi hàm lượng nano silic tăng lên 3,0% trọng lượng xi măng Tỷ lệ tối ưu để thay thế nano silic là 2,0% trọng lượng xi măng, tương tự như nghiên cứu của Sarade và cộng sự [101] và tương tự như nghiên cứu bê tông kết hợp tro bay và nano silic của X Gao và Brouwers [116]

Hongjian Du và cộng sự [57] nghiên cứu đặc tính độ bền của bê tông OPC có chứa nano silic 0,3% và 0,9% Thiết kế 3 cấp phối khác nhau: bê tông OPC, bê tông nano silic 0,3 và nano silic 0,9, Cường độ nén của từng cấp phối được xác định ở 7, 28 và 91 với 3 mẫu trụ (100x200mm) Thí nghiệm thấm nước trên 2 mẫu hình trụ (100x200mm) trong nước áp suất 0,75 MPa trong 7 ngày Nước hấp thụ xác định bằng cách sử dụng lát cắt hình trụ (100x500) Đầu tiên, cho thấy phản ứng rõ ràng pozzolanic của nano silic với xi măng pooclăng Phản ứng này cùng với hiệu ứng lấp đầy nano của nano silic, tạo nên cấu trúc vi mô của bê tông đồng nhất hơn và ít xốp hơn Do đó, tính thấm giảm, cường độ nén tăng và sức kháng của bê tông chống nước xâm nhập và ăn mòn hóa học như ion clo

Ehsan Ghafari và cộng sự [46] đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc bổ sung nano silic lên độ bền của bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) Các tính chất của nano silic được sử dụng trong thí nghiệm này là diện tích bề mặt riêng (160 ± 20m2/g), độ tinh khiết (<99,9%), pha tinh thể vô định hình, đường kính (15 ± 5nm), mật độ (<0,15g/cm3) Ba cấp phối khác nhau đã được xem xét cho thử nghiệm này, bao gồm của UHPC chứa nano silic, UHPC không có nano silic và bê tông chất lượng cao (HPC) Dựa trên các kết quả thu được thì UHPC-NS chống ăn mòn tốt nhất do giảm vết nứt [46] Thứ hai, kết hợp nano silic góp phần vào kéo dài tuổi thọ của các kết cấu bê tông bằng cách hạn chế ăn mòn trong cốt thép Đo tốc độ ăn mòn, dựa trên các kỹ thuật LPR và Tafel cho thấy mẫu UHPC bổ sung nano silic có tỷ lệ ăn mòn thấp nhất (khi so sánh với mẫu HPC và UHPC)

G Quercia và cộng sự [50] đã tiến hành nghiên cứu về bê tông tự lèn (SCC) điều chỉnh bằng cách sử dụng nano silic vô định hình Thí nghiệm ba cấp phối SCC khác nhau, trong đó cấp phối đầu tiên không chứa nano silic, cấp phối thứ hai chứa keo nano silic, và cấp phối thứ ba chứa bột nano silic Dưới các điều kiện phòng thí nghiệm, cường độ chịu nén và cường độ kéo của SCC đã được cải thiện bằng cách bổ sung cả hai loại nano silic [50] Cấp phối SCC keo nano có cường độ nén cao hơn và cường độ kéo đứt thấp hơn so với cấp phối bột nano silic SCC Tất cả các chỉ số độ bền của SCC được nghiên cứu (độ dẫn điện, di chuyển clorua và hệ số khuếch tán, đóng băng,…) được cải thiện đáng kể với hàm lượng 3,8% của cả hai loại nano silic So với cấp phối SCC nano silic dạng bột, cấp phối SCC dạng keo cho thấy chất lượng tốt hơn một chút về đặc tính độ bền [50]

Morteza Bastami và cộng sự [83] đã nghiên cứu chất lượng bê tông nano silic biến đổi ở nhiệt độ cao Trọng tâm chính của thí nghiệm này là ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến cường

độ nén, cường độ kéo, nứt vỡ, và mất mát khối lượng bê tông cường độ cao sử dụng nano silic Thí nghiệm 6 mẫu với hàm lượng phần trăm khác nhau của nano silic cùng với hai mẫu không có nano silic Chất lượng của bê tông cường độ cao sử dụng mẫu hình trụ (150x100mm) được nung nóng đến 400, 600 và 800oC với tốc độ 20oC/phút Kết quả của thí nghiệm này chỉ ra rằng mất mát khối lượng ít hơn khi hàm lượng nano silic tăng lên do độ bền được cải thiện giúp ngăn ngừa nứt vỡ Ngoài ra, nano silic cũng làm tăng cường độ nén dư của mẫu gia nhiệt

Min-Hong Zhang và cộng sự [80] tiến hành nghiên cứu tác dụng của nano silic đến tăng cường độ sớm và giảm thời gian đông kết bê tông xỉ Hai loại nano silic đã được sử dụng trong thí nghiệm này Nano silic loại 1 có hàm lượng SiO2> 99,8%, diện tích bề mặt (200,1m2/g), kích thước hạt trung bình (12nm) và trọng lượng riêng (2,2) Nano silic loại 2 bao gồm (> 99,8%) SiO2, diện tích bề mặt BET (321,6m2/g), kích thước hạt trung bình (7nm) và trọng lượng riêng (2,2) Tám cấp phối vữa khác nhau được thử nghiệm trong nghiên cứu này Tất cả cấp phối có tỷ lệ chất kết dính/nước không đổi là 0,45 và tỷ lệ chất kết dính/cát không đổi 2,75, Hàm lượng của nano silic loại 1 thay đổi từ 0 đến 0,5%, 1,0% và 2,0% theo khối lượng xi măng Vữa có 1% loại 1 hoặc loại 2 nano silic được so sánh với cùng một lượng muội silic để đánh giá hiệu quả của diện tích bề mặt và kích thước hạt của silic Ảnh hưởng của nano silic đến tính chất bê tông được so sánh với ảnh hưởng của muội silic Việc bổ sung nano silic đã đẩy nhanh tốc độ xi măng hydrat hóa và rút ngắn thời gian đông kết của vữa dùng xỉ Cường độ nén của vữa xỉ tỷ lệ thuận với hàm lượng nano silic tại độ tuổi khác nhau lên đến 91 ngày Cường độ tuổi sớm của vữa xỉ nghịch đảo với kích thước hạt của nano silic Dùng nano silic 2% làm giảm thời gian bắt đầu đông kết và kết thúc là 95 và 105 phút, và tăng cường độ nén 3 và 7 ngày của bê tông dùng hàm lượng xỉ cao 22% và 18% so với bê tông đối chứng với xỉ 50% Hơn nữa, khi hàm lượng nano silic tăng lên, mao quản đã giảm Tuy nhiên, độ rỗng mao quản trung bình đã tăng lên trong hồ xi măng xỉ ở 28 ngày với sự gia tăng hàm lượng nano silic Hàm lượng 2% nano silic theo khối lượng vật liệu xi măng làm tăng mật độ Cuối cùng, cả hai loại nano silic đều có hiệu quả hơn trong việc đẩy nhanh quá trình hydrat hóa so với muội silic Nano silic làm giảm thời gian đông kết và tăng sớm cường độ của bê tông xỉ khối lượng lớn Muội silic gần như không ảnh hưởng đến thời gian đông kết và cường độ sớm của bê tông xỉ khối lượng lớn

S Abd.El.Aleem và cộng sự [96] thực hiện thí nghiệm nghiên cứu về hydrat hóa, đặc tính giãn nở nhiệt và cấu trúc vi mô của xi măng chứa nano silic Bảy cấp phối khác nhau đã được sử dụng trong thí nghiệm này kết hợp hàm lượng nano silic khác nhau lên đến 6% thay thế một phần của OPC Sự hiện diện của nano silic có làm tăng đáng kể nhu cầu về nước, do đó làm chậm thời gian đông kết Điều này dường như được kiểm soát bởi sự phân bố kích thước hạt và bề mặt riêng nano silic với sự có mặt của chất siêu dẻo polycarboxylate Hơn nữa, giá trị của pH và portlandite tự do giảm khi hàm lượng nano silic tăng Do phản ứng pozzolanic của nano silic, hàm lượng nước phản ứng hóa học tăng với lượng phần trăm nano silic tăng cấu trúc vi mô, do đó tính chất cơ học của vữa xi măng cải thiện mạnh với nano silic lên tới 3% và sau đó tăng nhẹ lên 5% Ngoài ra, sử dụng nano silic thay thế một phần xi măng Portland làm giảm hệ số tỏa nhiệt của hồ xi măng Hơn nữa, do sự hydrat hóa liên tục của các giai đoạn xi măng và phản ứng pozzolanic của nano silic, sự giãn nở nhiệt của bột xi

Nano SiO2 lên đến 5% được chứng minh là hiệu quả cho pha trộn với OPC để cải thiện tính chất hóa học, cơ lý và nhiệt của nó Bổ sung nano silic đã tăng cường độ nén vì hiệu ứng lấp đầy của nano giúp cải thiện cấu trúc vi mô và thúc đẩy cao phản ứng pozzolanic

L.P Singh và cộng sự [77] đã nghiên cứu vai trò có lợi của nano silic trong xi măng như minh họa trong Hình 1-11

Strength Enhancement: Tăng cường độ Reduce Ca-leaching: Giảm thải Canxi Increase Durability: Tăng độ bền Accelerate Hydration rate: Tăng tốc độ hydrate

Refine Pore Structure: Giảm kích thước lỗ rỗng

Hình 1-11 Vai trò của nano trong hệ xi măng[77] Nano silic trong bê tông đóng vai trò là nơi tạo mầm để tăng tốc độ hydrat hóa của xi măng và cũng làm đầy lỗ rỗng để tăng độ chặt dẫn đến độ bền cao hơn với độ rỗng ít hơn [78] Sự phát triển của bê tông chất lượng cao sử dụng nano silic sẽ giảm tiêu thụ xi măng giúp bảo vệ môi trường ở một mức độ lớn Cấu kiện bê tông chất lượng cao dùng nano silic sẽ nhỏ hơn, nên sẽ giảm lượng vật liệu chế tạo và do đó giảm chi phí tổng thể của kết cấu Hơn nữa, cường độ tuổi sớm cao nên đẩy nhanh quá trình xây dựng, tiết kiệm thời gian, kinh tế và vật liệu Cuối cùng, tuổi thọ của bê tông chất lượng cao nano silic sẽ làm giảm chi phí bảo trì rất lớn

Sattaw Haruehanano silicapong và cộng sự [102] nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt của nano silic về cường độ nén và hàm lượng thay thế tối ưu, vai trò của nano silic trong vữa xi măng Thí nghiệm với 3 kích thước hạt khác nhau của nano silic (12, 20 và 40nm) Thử nghiệm với hai nhóm cấp phối Nhóm 1: sử dụng 4 cấp phối với hàm lượng khác nhau của muội silic Nhóm 2: sử dụng 4 cấp phối với hàm lượng khác nhau của nano silic So với cấp phối muội silic, cường độ nén của cấp phối nano silic lớn hơn do hoạt tính pozzolanic và khả năng lèn chặt Cấp phối dùng nano silic 40nm cho thấy cường độ nén cao nhất so với cấp phối với nano silic 12nm và 20nm Lý do có thể là sự phân tán kém và tích tụ của hạt rất nhỏ 12 và 20nm-SiO2, Hàm lượng thay thế tối ưu của vữa xi măng bằng nano silic kích thước 12, 20 và 40nm, và muội silic thu được hàm lượng nano silic tối ưu là 9% không phụ thuộc với kích thước hạt Ảnh SEM cho thấy cấu trúc vi mô của hồ xi măng đã được cải thiện nhờ sự kết hợp của nano silic làm cho cấp phối sệt hơn, đồng nhất và đặc hơn

Bibhuti Bhusan Mukharjee và cộng sự [38] đã nghiên cứu ảnh hưởng nano silic đến tính chất của bê tông cốt liệu tái chế Trong nghiên cứu này sử dụng keo nano silic có trọng lượng riêng 1,12, hàm lượng chất rắn 39%, kích thước hạt 8-20nm, hàm lượng SiO2 99,1% và giá trị pH 10,11 Tám cấp phối khác nhau được đúc trong đó 4 cấp phối dùng cốt liệu lớn

tự nhiên (NCA) và 4 cấp phối dùng cốt liệu lớn tái chế (RCA) Theo tỷ lệ phần trăm của nano silic tăng, giá trị độ sụt giảm do diện tích bề mặt cao của keo nano silic gây ra sự hấp thụ nước trộn bởi các hạt nano Hơn nữa, thay thế cốt liệu lớn tự nhiên bằng cốt liệu lớn tái chế giảm khả năng làm việc của cấp phối bê tông do khả năng hấp thụ nước cao của RCA và giảm khả năng làm việc hơn nữa do việc bổ sung nano silic vào cấp phối RCA Hơn nữa, việc bổ sung nano silic đã tăng cường độ nén, kết quả cường độ thời gian đầu do hoạt động pozzolanic nano silic cao Cường độ nén giảm 14% khi thay thế NCA bằng 100% RCA Tuy nhiên, sử dụng 3% nano silic thì tăng cường độ nén của RAC, cường độ nén 28 ngày cân bằng với bê tông chuẩn So với cấp phối cốt liệu lớn tự nhiên, cấp phối cốt liệu lớn tái chế có độ bền kéo yếu hơn Tuy nhiên, sự giảm độ bền kéo do sử dụng cốt liệu lớn tái chế có thể được bù bằng cách kết hợp nano silic

A.M Said và cộng sự [19] đã tiến hành nghiên cứu tính chất của bê tông kết hợp tro bay và nano silic Hai loại bê tông đã được nghiên cứu trong thí nghiệm này đó là bê tông với xi măng thông thường và bê tông xi măng bổ sung tro bay loại F Để nghiên cứu liên kết cấp độ vĩ mô, vi mô và hiệu quả sử dụng nano silic, các thử nghiệm về nhiệt độ, tính thấm nhanh ion clorua, xâm nhập thủy ngân, đo nhiệt và tán xạ ngược bằng kính hiển vi điện tử quét đã được tiến hành Dựa trên kết quả kiểm tra, nhiều kết luận đã được đưa ra Cả hai loại bê tông được sử dụng trong thí nghiệm này đều cải thiện chất lượng do bổ sung nano silic Nano silic có nhiệm vụ đẩy nhanh hoạt động của các phản ứng hydrat hóa Việc bổ sung nano silic cho thấy sự điều chỉnh tốc độ tăng cường độ vốn đã chậm hơn bê tông khi chứa tro bay lớp F Độ sâu thâm nhập vật lý đã giảm do đó làm giảm độ dẫn điện Các mẫu cho thấy giảm độ xốp và đường kính lỗ rỗng

A Ghazy và cộng sự [16] đã nghiên cứu bê tông tro bay dùng nano silic biến tính để sửa chữa mặt đường bê tông Nhiều kết quả đã thu được từ nghiên cứu này Kết hợp 6% nano silic trong bê tông với lượng tro bay lên đến 30% rút ngắn đáng kể thời gian đông kết và tăng tốc độ phản ứng hydrat hóa, trong đó hiệu ứng làm chậm của tro bay lớp F về tốc độ đông kết bê tông được giảm Việc bổ sung nano silic đã cải thiện tuổi sớm và độ bền nén và độ bền kéo dài Hơn nữa, nó chèn lấp cấu trúc lỗ rỗng của bê tông tro bay Do đó, bê tông tro bay dùng nano biến tính là một lựa chọn khả thi cho ứng dụng sửa chữa trong mặt đường bê tông

D V Prasada Rao và U Anil Kumar [43] tiến hành thí nghiệm đặc tính cường độ của bê tông chứa muội silic và nano silic Tính chất của nano silic là (39,5-41%) chất rắn nano, pH (9-10), trọng lượng riêng (1,29-1,31) và dung dịch chất lỏng màu trắng đục 7 cấp phối khác nhau được thử nghiệm chứa (0, 19, 38, 19, 38, 19, 38) kg muội silic và (0, 14,25; 14,25; 28,5; 28,5) lít keo nano silic Thêm 1,5% nano silic vào cấp phối 5% và 10% muội silic tính chất cơ học tốt hơn so với việc bổ sung 3% nano silic vào 5% và 10% cấp phối muội silic Nhìn chung, về cường độ việc bổ sung 1,5% nano silic và 10% muội silic đạt kết quả cao nhất so với các cấp phối khác

Ye Qing và cộng sự [117] nghiên cứu ảnh hưởng của muội silic và nano silic đến các tính chất hóa cứng của hồ xi măng Thiết kế 8 cấp phối khác nhau sử dụng muội silic và nano silic Các thí nghiệm này là độ đặc, thời gian đông kết của hồ xi măng tươi, cường độ nén, cường độ liên kết bề mặt của cấp phối và hồ xi măng, phân tích cấu trúc vi mô bề mặt hồ xi

măng với cấp phối Nhiều kết quả đã thu được trong thí nghiệm này Đầu tiên, nano silic làm đặc bột xi măng làm tăng tốc độ quá trình hydrat hóa Thứ hai, cường độ nén tỷ lệ thuận với hàm lượng nano silic, đặc biệt là ở độ tuổi sớm Khi tăng hàm lượng muội silic thì cường độ nén sớm của bê tông giảm nhẹ; nó tăng ở tuổi muộn hơn Khả năng liên kết bề mặt của cấp phối và hồ xi măng tỷ lệ thuận với nano silic hơn là muội silic Ngoài ra, nano silic có hoạt tính pozzolanic bề mặt cao hơn so với muội silic Như vậy nano silic hiệu quả hơn trong việc cải thiện cấu trúc bề mặt so với muội silic

Hình 1-12 Hình ảnh cầu Garnerplatzbucke- Đức Đã có nhiều công trình thực tế ứng dụng bê tông có nano như tại Đức năm 2007, công trình cầu Garnerplatzbucke các trụ cầu sử dụng bê tông nano silic; năm 2006 cầu Iowa tại Hoa Kỳ cũng được thi công bê tông cường độ cao sử dụng nano silic với tỷ lệ 1%; đường hầm Umberto I-Ý với kết cấu vỏ hầm sử dụng bê tông có nano [13]

1.3.3 Nghiên cứu bê tông xi măng có phụ gia nano silic trong nước

Hiện nay, trong nước cũng có nhiều đề tài đang nghiên cứu, sử dụng nano silic, điển hình các nghiên cứu sau:

Vũ Việt Cường [4] nghiên cứu bê tông thay thế 40% tro bay, hàm lượng nano silic sử dụng 0;1;2% theo khối lượng ban đầu của xi măng Loại bê tông nhiều tro bay (40%) và 2% nano silic, cường độ chịu nén lớn hơn 1,15-1,2 lần Thí nghiệm thấm ion clo cho thấy hàm lượng nano silic tỷ lệ nghịch với điện lượng đếm được thí nghiệm, như vậy nano silic làm giảm thấm ion clo của bê tông

Đặng Thị Thanh Lê [9], sử dụng Nano silic điều chế từ tro trấu ở dạng bột, màu trắng rất mịn; hàm lượng SiO2= trên 99,9%; pH (7); độ ẩm nhỏ hơn 0,5%; diện tích bề riêng (258,3m2/g), kích thước hạt 10 đến 15nm Khi hàm lượng nano silic sử dụng là 2,5% khả năng chống thấm ion clo của bê tông xi măng tốt nhất, giảm được 30,4% điện lượng (M60) và 26% điện lượng (M70) so với bê tông xi măng không sử dụng nano silic

Trần Hữu Bằng [1] nghiên cứu bê tông cường độ 30-40Mpa, sử dụng nano silic 0-2% chất kết dính Tác giả đưa ra kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn, chống thấm ion clo, tác giả đề xuất cấu tạo các dạng mặt đường ô tô với chiều dài tấm BTXM có thể đến 5m tăng 10% so với qui định

dụng vật liệu nano, nghiên cứu bê tông cường độ 70Mpa với hàm lượng nano silic từ 0 đến 3% với bước nhảy 0,5% Xác định cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi Nghiên cứu tham số và đặc điểm phá hủy của bê tông chất lượng cao sử dụng nano silic và đã đưa ra tỷ lệ nano silic tốt nhất là 1,5%

Đỗ Anh Tú [14] nghiên cứu cường độ và độ nhạy nhiệt của bê tông tính năng cao có chất kết dính bổ sung nano silic sử dụng cho công trình cầu, bê tông 60Mpa đến 70Mpa kết hợp tro bay và nano silic

Thông qua một số nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam, đã đưa ra được một số kết quả chung như Bảng 1-3

Bảng 1-3 Một số kết quả nghiên cứu về nano silic trên thế giới và tại Việt Nam

NS

Tỷ lệ đề xuất

Cường độ nén (Mpa)

Chênh lệch

(%)NS /CKD

(%)NS /CKD

Mẫu (0%NS

/CKD)

Mẫu (Tỷ lệ đề xuất %NS)

0;0,5;1;1,5;

1.4 Nghiên cứu kết cấu sử dụng bê tông nano silic và độ bền bê tông

1.4.1 Nghiên cứu kết cấu và độ bền bê tông chất lượng cao sử dụng nano silic

T.S Mustafa và cộng sự [112] nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông cốt thép sử dụng bê tông nano silic cường độ nén là 35 MPa ở tuổi 28 ngày Hàm lượng thay thế nano silic 0%, 1,0%, 2,0% và 3,0% trọng lượng xi măng Kích thước dầm thí nghiệm (100 × 200 × 900 mm) thể hiện ở Hình 1-13

So với mẫu đối chứng B1 với 0% NS thay thế trọng lượng xi măng, mẫu B2, B3 và B4 lần lượt 1,0%, 2,0% và 3,0% NS cho thấy giá trị tải trọng xuất hiện vết nứt đầu tiên và tải trọng cuối cùng đều tăng Tăng NS% lên 1,0% (B2), 2,0% (B3) và 3,0% (B4) tải trọng tới hạn (Pu) tăng tương ứng là 5,5%, 11,5% và 19,2% và độ võng (Δu) lần lượt là 6,0%, 12,5% và 23,0% so với B1, Tải trọng khi xuất hiện vết nứt đầu tiên (Pcr) cho thấy giá trị gia tăng đối với dầm B2, B3 và B4 lần lượt là 11,8%, 17,8% và 20,3% so với dầm đối chứng

Bảng 1-4 Kết quả thực nghiệm nghiên cứu ứng xử uốn của dầm theo T.S Mustafa

J Sridhar và cộng sự [62] nghiên cứu vai trò của nano silic đối với các đặc tính của bê tông tính năng cao Cấp phối bê tông M70 sử dụng tro bay và nano silic thay thế nano silic 1%, 2%, 3% theo chất kết dính (kí hiệu NS1, NS2, NS3) Mục tiêu chính là nghiên cứu tầm quan trọng việc sử dụng nano silic thay thế cho vật liệu kết dính đến các đặc tính cơ học và ứng xử uốn của bê tông HPC có chứa nano silic

Tính chất cơ học: Cường độ nén mẫu NS3 lớn nhất là 88,7 MPa cao hơn 12,3% so với mẫu đối chứng Cường độ kéo ép chẻ: đối với mẫu NS3 là 3,61 MPa thu được cao hơn khoảng 28,9% so với mẫu đối chứng Độ bền kéo đứt tương tự đối với NS1 và NS2 lần lượt là 13,21% và 23,5% so với mẫu đối chứng Sự cải thiện này là do hiệu ứng bắc cầu hiệu quả hơn trên chiều rộng vết nứt

Ứng xử uốn của dầm: Thử nghiệm 4 dầm bê tông cốt thép có cấu tạo (100x150x1200)mm Chi tiết về hình dạng của dầm và các vị trí cốt thép chịu uốn được thể hiện trong Hình 1-14

Hình 1-14 Cấu tạo dầm thí nghiệm theo nghiên cứu của J Sridhar [62]

tương ứng Tương tự độ võng với vết nứt dầm NS3 bắt đầu xảy ra ở tải trọng 34 kN, tăng 21% đối với dầm NS0

Bảng 1-5 Kết quả thực nghiệm nghiên cứu ứng xử uốn của dầm theo J Sridhar [62]

1.4.2 Độ bền bê tông chất lượng cao và xâm nhập ion clo

Xâm nhập ion clo và ăn mòn cốt thép trong bê tông chất lượng cao

Bê tông chất lượng cao được gọi tắt là HPC (High Performance Concretes) là loại bê tông có cường độ chịu nén cao và độ bền cao Độ bền của bê tông thường được nghiên cứu ở 4 đặc điểm đặc biệt: Phản ứng kiềm-cốt liệu, tính thấm nước, phản ứng cacbonat và độ thấm ion Clo [6]

Trong đó xâm nhập ion clo và khí CO2 là các nguyên nhân chính của quá trình ăn mòn cốt thép gây hư hại và làm giảm độ bền, giảm tuổi thọ sử dụng Các biện pháp nhằm giảm bớt sự xâm nhập của ion clo và CO2 vào trong bê tông được hy vọng là nâng cao đáng kể độ bền và tuổi thọ sử dụng của bê tông Các nguyên nhân gây hư hại cầu bê tông được GS.Mutsuyoshi, năm 2001 đưa ra thống kê trên các cầu bê tông cốt thép ở Nhật Bản Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các hư hại của các kết cấu bê tông cốt thép là do xâm nhập clo chiếm tới 66% [8]

Ăn mòn cốt thép do xâm nhập clorua là mối đe dọa lớn nhất cho các kết cấu bê tông cốt thép Các kết cấu như cầu, đường bộ, hạ tầng và bến cảng tiếp xúc với các môi trường giàu clorua, hoặc thông qua việc áp dụng muối chống đóng băng hoặc từ môi trường tự nhiên Trong môi trường biển, các vùng thủy triều và sóng vỗ là vùng có nguy cơ ăn mòn cao Kết cấu trong đất liền gần khu vực ven biển cũng có thể suy thoái thông qua sự ăn mòn do gió thổi mang muối đến Bê tông thường xuyên ngập trong nước biển cho phép clorua thâm nhập đáng kể, nhưng sự ăn mòn đáng kể lại không thể xảy ra do mức độ cung cấp oxy thấp

Lớp thụ động của cốt thép phụ thuộc vào sự ổn định của lớp thụ động được hình thành khi cốt thép được đặt trong môi trường kiềm Lớp thụ động bị phá vỡ trong trường hợp mức độ clo xung quanh bê tông vượt quá một mức độ giới hạn Tiêu chuẩn Châu Âu EN 206.1 giới hạn hàm lượng clorua trong một phạm vi từ 0,1 đến 0,4% trong trường hợp bê tông có cốt thép Những hạn chế nghiêm ngặt áp dụng với bê tông dự ứng lực Các tiêu chuẩn cốt liệu cũng giới hạn hàm lượng clorua của cốt liệu dùng cho bê tông

Clorua gây ra ăn mòn thường được tập trung vào một khu vực nhỏ, hình thành bao quanh cốt thép chưa ăn mòn Quá trình này được minh họa trong Hình 1-15 Điều này có thể dẫn đến mất nhanh chóng mặt cắt ngang và làm giảm khả năng chịu lực của các kết cấu bê tông cốt thép

Hình 1-15 Quá trình rỗ bề mặt trong môi trường giàu clo Quá trình xâm nhập clo không trực tiếp ăn mòn cốt thép, ngoại trừ chúng phá vỡ lớp màng bảo vệ trên bề mặt cốt thép và thúc đẩy quá trình ăn mòn phát triển Nói cách khác, clo đóng vai trò như một chất xúc tác cho quá trình ăn mòn BTCT Tuy nhiên, cơ chế ăn mòn do ion clo khác quá trình cacbonat hoá ở chỗ ion clo xâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ và tấn công cốt thép ngay cả khi độ pH trong cấp phối vẫn ở mức cao (12-13) Theo [8] quá trình này gồm 2 giai đoạn cụ thể:

Giai đoạn 1: Sự xâm nhập của ion Clo từ môi trường vào bê tông Sức hút mao dẫn do sức căng mặt ngoài

Nếu bề mặt kết cấu bê tông không bão hòa khi tiếp xúc với môi trường nước chứa ion clo, dưới áp lực mao dẫn nước chứa ion clo sẽ xâm nhập vào bề mặt bê tông đến độ sâu khoảng 5-15mm chỉ trong vòng vài giờ đến vài ngày Đây là trường hợp của phần bê tông ở vùng mớm nước Có thể được mô tả gần đúng bằng các định luật Fick về khuếch tán

Sự thẩm thấu do chênh lệch nồng độ ion clo Sự khuếch tán do chêch lệch nồng độ ion clo: Khi có sự chêch lệch nồng độ, ion clo sẽ dịch chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn Như vậy, dưới tác động của cơ chế này, ion clo sẽ dịch chuyển từ bề mặt bê tông vào sâu trong kết cấu

Sự thẩm thấu do sự chênh lệch áp lực Áp lực làm tăng tốc độ xâm thực ion clo vào kết cấu bê tông cốt thép Sự thẩm thấu do chênh lệch điện thế

Sự xuất hiện của ion clo mang tính chất dẫn điện, sẽ làm cho điện tích chênh lệch làm điện thế thay đổi, dẫn đến qua trình xâm nhập xảy ra nhanh hơn

O

H O

a notCl-

Fe++

Cl-Fe(OH) + 2H + 2Cl2 +

-FeCl2FeOCl

OH-Giai đoạn 2: Bắt đầu quá trình ăn mòn cốt thép Sự xuất hiện lớn nồng độ ion clo sẽ làm giảm độ pH, phá vỡ lớp bảo vệ thụ động, khi đó ion clo sẽ thâm nhập vào cốt thép

Giai đoạn 2 của quá trình ăn mòn được bắt đầu bằng sự ăn mòn cốt thép, tiếp theo đó là sự hình thành và phát triển vết nứt tại lớp bê tông bảo vệ

Để dự báo giai đoạn khởi đầu ăn mòn sẽ dựa trên sự khuếch tán của ion clo Do chênh lệch nồng độ, các ion clo từ bề mặt của kết cấu bê tông sẽ khuếch tán vào trong bê tông tới cốt thép Giai đoạn khởi đầu ăn mòn sẽ kết thúc khi nồng độ ion clo tại bề mặt cốt thép đạt đến ngưỡng nồng độ gây ăn mòn Thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép trong bê tông do xâm nhập clo thường được diễn tả như là thời gian cần thiết để clo khuếch tán qua bê tông vào cốt thép đạt tới mức ngưỡng nồng độ tới hạn Nồng độ clo được tích lũy dần dần với thời gian và thay đổi theo chiều sâu Nghiên cứu sử dụng mô hình dự báo thời kì khởi đầu dựa trên định luật của Flick về khuếch tán, được tính toán theo Duracrete [113]

Nghiên cứu độ bền của bê tông

Ở Việt Nam, vấn đề độ bền của bê tông cũng đã được nghiên cứu vào những năm gần đây, tuy nhiên các tài liệu và các công trình nghiên cứu đã công bố còn khá ít

Phạm Duy Hữu biên soạn “Bê tông chất lượng cao”[6] Tác giả đã đề cập đến độ bền của bê tông và các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền, đồng thời đưa ra biện pháp nâng cao độ bền bằng cách sử dụng bê tông chất lượng cao với hệ số khuếch tán clo thấp

Phạm Duy Hữu “Thiết kế kết cấu theo độ bền”[8] Trong cuốn sách này, tác giả đã trình bày về độ bền của bê tông, độ bền hóa học của bê tông, độ bền của kết cấu thép, độ bền của vật liệu polyme tăng cường cốt sợi (FRP), phương pháp thiết kế kết cấu theo độ bền

Đào Văn Dinh nghiên cứu “Dự báo tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam do thấm nhập clo” Trong luận án này trình bày tổng quan các nghiên cứu tuổi thọ sử dụng của cầu bê tông cốt thép do xâm nhập clo trên thế giới và Việt Nam, xây dựng công thức xác định hệ số khuếch tán clo, mô hình dự báo tuổi thọ do xâm nhập clo và các biện pháp kéo dài tuổi thọ

Vũ Việt Cường [4] nghiên cứu bê tông nhiều tro bay và kết hợp sử dụng 2%NS, thí nghiệm đo điện lượng đã kết luận giảm được 25% điện lượng đếm được so với bê tông không sử dụng NS Điều này giúp làm tăng độ bền của bê tông khi ứng dụng làm các kết cấu mặt đường trong môi trường xâm thực ion clo

Trần Hữu Bằng [1] tiến hành đo điện lượng cho bê tông sử dụng muội silic kết hợp nano silic cấp 30, 35, 40, Kết quả thống kê theo Bảng 1-6

Bảng 1-6 Ảnh hưởng nano silic đến kết quả đo điện lượng nghiên cứu [1]

Hàm lượng Tỷ lệ giảm với mẫu tham chiếu (0%NS)

Hàm lượng Tỷ lệ giảm với mẫu tham chiếu (0%NS)

Habib và cộng sự [53] đã nghiên cứu độ bền chống ăn mòn ion clo cho bê tông sử dụng kết hợp GGBS với nano silic với cường 40MPa Cấp phối bê tông nghiên cứu GGBS thay thế 30 và 70%, nano silic thay thế 1% và 2% Ngoài thí nghiệm tính chất cơ học của các cấp phối bê tông, tiến hành đo điện lượng bằng thí nghiệm thấm nhanh clo (Rapid Chloride Oermeability Test) theo tiêu chuẩn ASTM C1202, Xác định được giá trị điện lượng cho các mẫu thử giá trị mẫu thử M3 (70GGBS và 2%NS) đạt được thấp nhấp 367(Culong) Tiến hành tính toán theo phần mềm mô hình Life365 của ACI theo điều kiện của Dubai với chiều dày bê tông bảo vệ 60mm thì thời gian ăn mòn của mẫu bê tông M3 là lớn nhất 80,5 năm

Forood Torabian Isfahani và cộng sự [47] đã nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng nano silic khác nhau (0,5%, 1% và 1,5% đối với xi măng) đến cường độ nén và độ bền của bê tông với tỷ lệ N/CKD 0,65, 0,55 và 0,5 và hệ số khuếch tán clorua, hệ số cacbonat của bê tông Kết quả thí nghiệm cho thấy ăn mòn ion clo không theo qui luật cố định Đối với cấp phối bê tông có tỷ lệ N/CKD = 0,65 và 1,5% NS tăng nhiều nhất so với 0%NS Đối với N/CKD = 0,55 kết quả các mẫu thử xoay quanh giá trị tham chiếu và đối với N/CKD = 0,5 giá trị đo được tốt nhất với tỷ lệ là 1% NS

S.Chithra và cộng sự [103] nghiên cứu cường độ và độ bền cho bê tông xỉ có sử dụng nano silic (từ 0 đến 3% bước nhảy 0,5%) Nghiên cứu ảnh hưởng của nano silic chống lại sự xâm nhập của ion clo của bê tông, đó là thông số quan trọng xác định tuổi thọ của kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động của muối ăn mòn hoặc môi trường biển Kết quả tất cả các cấp phối đều có khả năng giảm thâm nhập ion clo Giá trị Coulomb giảm lớn nhất khi hàm lượng nano silic tăng lên đến 2% (821 so với mẫu tham chiếu 1338 coulombs) Vượt qua 2% nano silic, giá trị điện lượng coulomb đã tăng nhẹ lại Kết quả cũng tương tự xác định cường độ nén của các cấp phối nghiên cứu (Tăng 18,2% so với mẫu tham chiếu)

1.5 Kết luận chương 1

Các hạt nano silic trong cấp phối bê tông có vai trò như là “chất độn” chèn đầy vào

các khoảng trống và lỗ rỗng trong cấp phối bê tông của các cỡ hạt lớn hơn do đó sẽ làm tăng độ đặc, độ rỗng giảm, làm cho cấu trúc vi mô dày đặc hơn ở vùng chuyển tiếp bề mặt (ITZ) giữa cốt liệu và hồ xi măng

Bê tông xi măng có thêm phụ gia nano silic sẽ xảy ra phản ứng trong quá trình hydrat hóa của xi măng Nano silic tạo ra H2SiO2-

4 phản ứng với Ca2 + do Ca(OH)2 tạo ra sẽ hình thành bổ sung canxi silicat hydrat (C-S-H), làm cho bê tông sử dụng hạt nano silic thay đổi từ tính chất cơ học cho đến độ bền của bê tông theo hướng tích cực: Cường độ nén, cường độ kéo khi uốn, tính thấm, chống ăn mòn, chống xâm thực đều tăng lên rất nhiều so với bê tông

Hầu hết các kết quả nghiên cứu về bê tông sử dụng nano silic trên thế giới đều cho kết quả rất tốt về loại vật liệu này Tại Việt Nam, kết quả nghiên cứu ban đầu ứng dụng nano silic có kết quả khả quan, tuy nhiên số liệu nghiên cứu còn khá ít và chưa nghiên cứu sâu để ứng dụng bê tông chất lượng cao vào các kết cấu bê tông và BTCT cầu đường Các kết quả nghiên cứu đưa ra giá trị tối ưu hàm lượng nano silic khoảng từ 1-3%CKD Do đó, định hướng nghiên cứu của đề tài sẽ lựa chọn nghiên cứu sử dụng hàm lượng nano silic thay đổi trong phạm vi 1,2 đến 2,8%CKD để thiết kế cấp phối bê tông chất lượng cao với cường độ 70MPa Để tối ưu hàm lượng nano silic trong thiết kế cấp phối và giảm kinh phí cho các thí nghiệm, luận án sẽ sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tìm ra hàm lượng nano silic tối ưu, thỏa mãn được các yêu cầu kỹ thuật của bê tông chất lượng cao

VẬT LIỆU VÀ QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO MUỘI SILIC-NANO SILIC 2.1 Lựa chọn vật liệu nghiên cứu

2.1.1 Xi măng

Xi măng được sử dụng là xi măng Pooclăng thường, các đặc tính kỹ thuật phải đảm bảo theo ASTM C150 và TCVN 2682:2009 Trong trường hợp cần có cường độ cao hơn nên sử dụng tỷ lệ N/X thấp (từ 0,26- 0,35) để đảm bảo được cường độ mà lượng xi măng dùng không quá lớn gây các hiệu ứng phụ không có lợi cho bê tông (toả nhiều nhiệt, từ biến và co ngót lớn)

Khi chế tạo bê tông có cường độ nén từ 80 - 120MPa thì cần thiết sử dụng xi măng có cường độ nén đến 60MPa và lớn hơn Ở châu Âu để chế tạo bê tông chất lượng cao thường dùng xi măng có phụ gia muội silic với liều lượng từ 5 - 10% có cường độ nén từ 88 - 205MPa

Xi măng sử dụng dùng trong luận án là PC40 của Bút Sơn có khối lượng riêng của xi măng: 3100kg/m3 và tính chất cơ lý trong Bảng 2-1

Bảng 2-1 Các tính chất cơ lý của xi măng Bút Sơn PC40

STT Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị pháp thử Phương quả Kết Đánh

giá

Ghi chú

1 Cường độ chịu nén 28 ngày Mpa ASTM C109 45,4 Đạt

Xi măng sử dụng trong nghiên cứu này phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 2682: 2009 và tương ứng Type I tiêu chuẩn ASTM C595,

2.1.2 Muội silic và nano silic

Muội silic

Muội silic và hỗn hợp chứa muội oxit silic được sử dụng trong bê tông mác cao dùng xi măng PC40 trở lên nhằm tăng khả năng chịu lực, kết cấu chịu mài mòn, giảm độ thấm nước Muội silic có hàm lượng oxit silic và độ mịn cao nên là vật liệu có tính puzolan cao Muội silic phản ứng với vôi trong quá trình hyđrat hóa xi măng để tạo ra hợp chất kết dính bền vững Hàm lượng muội silic trong bê tông nằm trong phạm vi từ 5 - 15% hàm lượng xi măng Pooclăng Với bê tông cường độ rất cao hàm lượng muội silic có thể đến 25% so với lượng chất kết dính

Căn cứ trên các nghiên cứu trước đây, luận án lựa chọn muội silic (Sikacrete PP1) của hãng Sika Việt Nam có khối lượng riêng 2,20g/cm3 (Xác định theo TCVN 4030:2003), sử dụng hàm lượng muội silic cố định 8%CKD cho mọi cấp phối (Hướng dẫn nhà sản xuất từ 5-10%)

Nano silic

Nano silic sử dụng trong luận án được chế tạo từ tro trấu tại Trung tâm Nghiên cứu Hóa học Ứng dụng, Trường Đại học Thủy lợi Nano silic thu được ở dạng bột, màu trắng rất mịn (Hình 2-1)

Hình 2-1 Nano silic chế tạo từ tro trấu Tỉnh Đồng Tháp Hàm lượng SiO2 trên 99,9%; pH ~ 7; độ ẩm nhỏ hơn 0,5%; khối lượng riêng 2,20g/cm3, Để xác định một số tính chất đặc trưng của vật liệu nano silic, các thử nghiệm EDX, BET và SEM đã được tiến hành tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Kết quả phổ EDX (Hình 2-2) cho thấy, vật liệu SiO2 điều chế được có thành phần nguyên tử chủ yếu là Si (28,78%) và O (57,92%), tỷ lệ % nguyên tử Si/O xấp xỉ 1/2, Trong mẫu mẫu còn lẫn một ít C mà có thể do các hợp chất hữu cơ cháy chưa hết trong quá trình nung mẫu Như vậy, vật liệu SiO2 điều chế được khá tinh khiết và thích hợp sử dụng làm vật liệu phụ gia cho bê tông

Kết quả SEM (Hình 2-3) cho thấy: vật liệu SiO2 chế tạo được có kích thước trong khoảng 50 đến 100 nm, mẫu SiO2 ở dạng vi tinh thể gồm nhiều hạt nhỏ kết tụ lại với nhau tạo nên các khối SiO2 có cấu trúc xốp Đây là đặc điểm quan trọng giúp cho vật liệu SiO2

tách từ tro trấu tăng nhanh quá trình khoáng hóa khi được sử dụng làm chất phụ gia xi măng [10]

Kết quả BET (Hình 2-4) xác định được diện tích bề mặt riêng của nano SiO2 ~ 80 m2/g; thể tích lỗ rỗng là 0,184 cc/g

Như vậy, vật liệu nano SiO2 điều chế được từ tro trấu khá tinh khiết, diện tích bề mặt riêng khá lớn ~ 80 m2/g, thể tích lỗ rỗng là 0,184 cc/g; kích thước hạt bé (khoảng 50 đến