Nghiên cứu chế tạo bê tông cường Độ cao hsc sử dụng phụ gia kết hợp nano sio2 và tro bay khu vực miền nam

Kết quả thu được sản phẩm nano SiO2 có kích thước hạt bé, độ xốp cao và diện tích bề mặt khoảng 258.3 m2/gam, trong đó SiO2 là thành phần chính trong tro trấu và chiếm tỉ lệ về khối lượn

Tính cấp thiết của đề tài 1

Trong những năm gần đây, việc sử dụng vật liệu nano vào bê tông cường độ cao (HSC) đã được ghi nhận, chúng có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học và độ bền của bê tông [27][2][47][60[78] Sự kết hợp vật liệu nano vào hỗn hợp để cải thiện các tính chất cơ học bê tông đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn Các hạt nano được đặc trưng bởi tỉ lệ diện tích bề mặt lớn và khả năng hoạt tính cao Theo Sanchez và Sobolev [27], hạt silica ở kích thước nanomet giúp kích hoạt các phản ứng thủy hóa của xi măng và các phản ứng loại bỏ các thành phần kém bền trong bê tông Ca(OH)2 sinh ra các sản phẩm gel pozzolan có chất lượng tốt hơn Quá trình này làm cho bê tông có cấu trúc đặc chắc, phát triển cường độ sớm, tăng khả năng chịu nén, chịu kéo, chống thấm, chống ăn mòn…

Hiện nay, vật liệu nano được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi cùng với việc chi phí sản xuất giảm với quy mô công nghiệp, việc sử dụng vật liệu nano đã nhận được sự thu hút đặc biệt để nghiên cứu chế tạo bê tông sử dụng trong nhiều kết cấu xây dựng [60] Ở Việt Nam, công nghệ nano bắt đầu được quan tâm phát triển, điển hình là các chương trình hội thảo nghiên cứu sản xuất, ứng dụng nano silica (NS) từ vật liệu phế thải là tro trấu và các dự án đầu tư nhà máy sản xuất NS phục vụ ngành vật liệu xây dựng Một số đề tài nghiên cứu khoa học, luận án tiến sĩ, thạc sĩ sử dụng vật liệu nano vào trong lĩnh vực xây dựng, sửa chữa công trình cầu đường đã được thực hiện với nhiều cơ sở lý thuyết và thực nghiệm [3][4][11][14][15] Hầu hết các nghiên cứu đều cho thấy những mặt tích cực khi sử dụng vật liệu nano vào bê tông Tuy nhiên, các nghiên cứu đa phần đều sử dụng vật liệu nano trong bê tông thường dẫn đến chưa phát huy hết tác dụng Nhiều nhà nghiên cứu báo cáo hàm lượng nano silica tối ưu khác nhau cùng với một số ảnh hưởng bất thường cần chú ý trong các nghiên cứu xa hơn [17][37][52][66][67] Hàm lượng sử dụng phù hợp của vật liệu nano cần phải được đánh giá khách quan theo các yếu tố kỹ thuật và dựa trên các cơ sở thực nghiệm

Một số nước khu vực Châu Á như Trung Quốc, Thái Lan mặt đường bê tông xi măng (BTXM) chiếm từ 30÷40% tổng chiều dài các đường cao tốc và trục chính Tại Hàn Quốc, mặt đường BTXM chiếm khoảng 65% tổng chiều dài các đường cao tốc Tại Nhật Bản, khoảng 50÷60% là mặt đường BTXM, những năm gần đây tỉ lệ mặt đường BTXM ở Nhật Bản đã giảm đáng kể vì những lý do khác nhau, trong đó có lý do nâng cấp hệ thống đường bê tông cũ Tại Mỹ, khoảng 60% hệ thống đường liên bang là BTXM, đặc biệt là khu vực đô thị nơi được dự báo về một lưu lượng giao thông rất lớn, BTXM được lựa chọn là giải pháp chính cho mặt đường Tại Bỉ, đối với đường cao tốc, mặt đường BTXM chiếm khoảng 40%; đối với đường tỉnh lộ, mặt đường BTXM chiếm khoảng 37% [8] Ở Việt Nam vào đầu thập niên 80 của thế kỉ 20, một số đoạn đường được xây dựng bằng mặt đường BTXM như Quốc Lộ 3 (đoạn Thái Nguyên – Bắc Cạn), Quốc Lộ 14 (đoạn Tiên Yên – Móng Cái) và mãi đến đầu thế kỉ 21 loại mặt đường này mới thực sự có điều kiện để xây dựng Tuy nhiên, cho đến nay mặt đường BTXM vẫn chiếm một tỉ lệ khá nhỏ, khoảng 3% mạng lưới đường và 5% hệ thống đường Quốc Lộ [8] Hiện nay, khu vực Miền Nam đã và đang thực hiện một loạt các dự án đường BTXM kể cả các đường cao tốc và tương lai gần tỉ lệ mặt đường BTXM sẽ tăng lên đáng kể

BTXM là vật liệu quan trọng và phổ biến nhất trong ngành xây dựng, đồng thời tiêu thụ hầu hết xi măng được sản xuất ra trên thế giới Sử dụng khối lượng lớn xi măng làm tăng khí thải CO2 và hậu quả là phát sinh hiệu ứng nhà kính Phương pháp để hạn chế thành phần xi măng trong hỗn hợp bê tông là sử dụng silica hạt mịn Một trong những loại bột silica có tiềm năng thay thế xi măng và phụ gia cho bê tông đó là nano SiO2 (NS) được điều chế từ tro trấu và sự kết hợp hai loại phụ gia nano SiO2 + Tro bay (FA) Tuy nhiên, hiệu quả thương mại của NS và FA là tổ hợp của nhiều yếu tố phức tạp, bao gồm quá trình làm sạch và sản xuất phức tạp đã khiến cho tính ứng dụng của loại vật liệu này vào ngành công nghiệp xây dựng còn hạn chế

Từ lâu, vật liệu silica được biết đến với những ứng dụng tuyệt vời như làm vật liệu xúc tác, vật liệu điện môi, chất hấp phụ khí, hấp phụ ion kim loại nặng, chất vô cơ [40] Để chế tạo loại vật liệu này có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như Sol-gel, kết tủa hóa học, phương pháp vi nhũ tương và kỹ thuật thủy nhiệt [79] Tuy nhiên, đa phần các nghiên cứu trên thường sử dụng nguồn chất đầu của silic ở dạng tinh khiết, đắt tiền và chỉ dừng lại ở quy mô thí nghiệm nên hạn chế khả năng ứng dụng thực tế của silica Do vậy, xu hướng tìm ra nguồn nguyên liệu sẵn có, rẻ tiền và giàu silic để chế tạo loại vật liệu này đang được quan tâm

Việt Nam nói chung và khu vực Miền Nam nói riêng là quốc gia sản xuất gạo đứng thứ hai trên thế giới với sản lượng gạo ước tính trung bình đạt khoảng 42 triệu tấn trên năm [37][75] Trấu sau khi cháy, các thành phần hữu cơ bị phân hủy và thu được tro trấu Tro trấu là một trong những nguyên liệu giàu silica nhất đạt khoảng 85% đến 98% về khối lượng nên nó là nguồn nguyên liệu lý tưởng để tổng hợp vật liệu Silica [37][75] Khi chế biến, cứ mỗi tấn lúa tạo ra khoảng 200kg vỏ trấu và lượng vỏ tro trấu này sau khi đốt tạo ra khoảng

40 kg tro [57] Như vậy, trung bình hàng năm cả thế giới tạo ra khoảng 130 triệu tấn vỏ trấu Hiện nay, hầu hết lượng vỏ trấu tạo ra chưa được tận dụng mà vứt bỏ như một dạng chất thải nông nghiệp Chất thải này tập trung phổ biến ở một số quốc gia có nền nông nghiệp phát triển Việt Nam, khối lượng chất thải tro trấu trung bình 8 triệu tấn/năm Do chưa có giải pháp xử lý hiệu quả nên tro trấu khi thải thẳng ra môi trường gây hậu quả nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường, nhất là nguồn nước [11][14]

Tro bay là một loại khoáng hoạt tính pozzolan dùng làm phụ gia cho chế tạo bê tông cướng độ cao FA là bụi khí thải dưới dạng hạt mịn thu được từ quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá trong các nhà máy nhiệt điện chạy than, là phế thải thoát ra từ buồng đốt qua ống khói của các nhà máy công nghiệp

Nguồn tro trấu khu vực Miền Nam là phế phẩm nông nghiệp hiện nay rất nhiều và đang gây ô nhiễm môi trường Việc sử dụng nguồn tro trấu để điều chế thành phụ gia NS ứng dụng vào trong BTXM cũng đã được nhiều tác giả nghiên cứu Nhưng sự kết hợp hai loại phụ gia NS+FA sẽ làm tăng các chỉ về mặt cơ học và hóa học của bê tông HSC làm mặt đường ô tô thì chưa có nghiên cứu chuyên sâu ở Việt Nam

Do vậy Đề tài “Nghiên cứ u ch ế t ạo bê tông cường độ cao HSC s ử d ụ ng ph ụ gia k ế t h ợ p nano SiO 2 và tro bay khu v ự c Mi ề n Nam ” là cần thiết, mang tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Mục tiêu nghiên cứu 3

- Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia kết hơp NS+FA đến các chỉ tiêu cơ lý (tính công tác, cường độ nén, cường độ kéo khi uốn, độ mài mòn và giá trị mô đun đàn hồi) của bê tông HSC

- Khả năng áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế kết cấu mặt đường BTXM cấp cao khu vực Miền Nam.

Phương pháp nghiên cứu 3

Từ việc nghiên cứu lý thuyết, phân tích các nghiên cứu ở trong và ngoài nước đã được công bố liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu Trên cơ sở đó tiến hành nghiên cứu lý thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để từ đó đưa ra các kết luận và kiến nghị phù hợp

- Phương pháp nghiên cứu lý tuyết: Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Tính công tác, chế tạo các mẫu bê tông HSC trên mẫu nén hình trụ (150x300)mm, mẫu thí nghiệm độ mài mòn (70.7x70.7x70.7)mm, mẫu kéo khi uốn (150x150x600)mm và thí nghiệm giá trị mô đun đàn hồi (150x600)mm, cấp bê tông thiết kế gốc là 60MPa theo phương pháp ACI 211.4R-08

- Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật khi sử dụng loại phụ gia kết hợp SN+FA trong thiết kế kết cấu mặt đường cấp cao sử dụng bê tông HSC.

Bố cục của đề tài 4

Mở đầu: Tính cấp thiết của đề tài; đối tượng nghiên cứu; phạm vi nghiên cứu; mục tiêu nghiên cứu; phương pháp nghiên cứu; bố cục của đề tài

Chương 1: Tổng quan vật liệu nano và tro bay sử dụng làm phụ gia cho bê tông xi măng trong xây dựng công trình

Chương 2: Thiết kế thành phần bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp nano SiO2 và tro bay

Chương 3: Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của phụ gia kết hợp NS+FA đến tính năng bê tông HSC

Chương 4: Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong thiết kế kết cấu mặt đường cấp cao bê tông HSC khu vực Miền Nam

Kết luận và kiến nghị

7 Những đóng góp mới của đề tài

Việc tận dụng nguồn tro trấu của các nhà máy công nghiệp đốt trấu khu vực miền Tây Nam Bộ, bằng phương pháp điều chế hóa học [9][14] Kết quả thu được sản phẩm nano SiO2 có kích thước hạt bé, độ xốp cao và diện tích bề mặt khoảng 258.3 m 2 /gam, trong đó SiO2 là thành phần chính trong tro trấu và chiếm tỉ lệ về khối lượng khá cao 85.40% thích hợp cho việc làm chất phụ gia cho bê tông HSC mang lại những đóng góp mới như sau:

- Thiết kế thành phần bê tông HSC C60 sử dụng phụ gia kết hợp NS+FA theo yêu cầu về cường độ nén và kéo uốn

- Thực nghiệm các chỉ tiêu của bê tông HSC như: Cường độ, mô đun đàn hồi, độ mài mòn, của các cấp bê tông sử dụng phụ gia kết hợp NS+FA

- Đề xuất cấu tạo dạng kết cấu mặt đường ô tô cấp cao khu vực Miền Nam loại bê tông HSC có sử dụng phụ gia kết hợp NS+FA so sánh với kết cấu mặt đường bê tông HSC thông thường

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Tận dụng vật liệu phế thải Tro trấu (RHA) của ngành nông nghiệp khu vực miền Tây Nam Bộ và nguồn phế thải Tro bay ngành công nghiệp là góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường, việc sử dụng sản phẩm phụ gia kết hợp NS+FA vào hỗn hợp bê tông HSC có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Mặt đường bê tông HSC khi có sử dụng phụ gia kết hợp NS+FA sẽ làm giảm nhiệt thủy hóa, giảm ứng suất nhiệt trong tấm nên có thể ứng dụng làm lớp mặt bê tông HSC cho đường có qui mô giao thông cấp cao

- Xây dựng các công thức thành phần vật liệu và dạng kết cấu áo đường bằng bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS+FA đây là nguồn tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà nghiên cứu, học viên cao học, kỹ sư thiết kế,…Trong tương lai sẽ có nhiều công trình đường đường Cao tốc và đường Quốc lộ được xây dựng bằng vật liệu bê tông HSC

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ TRO BAY SỬ DỤNG LÀM PHỤ GIA

CHO BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

Trong phần tổng quan trình bày các quy định chung đối với vật liệu bê tông nói chung và vật liệu bê tông làm mặt đường ô tô nói riêng; khái quát về BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và phụ gia tro bay, ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến các đặc tính của bê tông và các công trình nghiên cứu ứng dụng BTXM sử dụng hai loại phụ gia này trên thế giới và Việt Nam

1.1 Giới thiệu về ứng dụng công nghệ vật liệu nano

1.1.1 Khái niệm về công nghệ vật liệu nano

Công nghệ vật liệu nano ngày nay không chỉ còn trong phòng thí nghiệm mà đã thâm nhập vào mọi lĩnh vực của đời sống, từ công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng đến những ngành chủ chốt khác như: Công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu, công nghệ y sinh Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang và sẽ cần đến nhiều nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực Công nghệ, vật liệu nano để nâng cao đời sống xã hội

Vật liệu nano có thể được định nghĩa một cách khái quát là loại vật liệu mà trong cấu trúc của các thành phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích thước nanomet

Theo Viện hàn lâm hoàng gia Anh quốc thì:

+ Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn

+ Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét

1.1.2 Phân loại vật liệu nano

Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí

Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:

+ Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano); Ví dụ: Đám nano, Hạt nano

Hình 1.1 – Vật liệu nano không chiều

C60 được các nhà khoa học Đức tìm ra bằng cách nén các ống Cacbon tí hon với nhau Những phân tử Cacbon này gồm 60 nguyên tử được cài vào nhau thành hình ngũ giác và lục giác như quả bóng tí hon

+ Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano ví dụ dây nano, ống nano,

Hình 1.2 – Vật liệu nano một chiều Ống nano (Cacbon Nano Tube-CNT) được giáo sư người Nhật Symio Ildzima tìm ra vào năm 1991 CNT- là phân tử từ hơn một chiều nguyên tử cacbon, chúng là ống có đường kính cỡ nm và chiều dài cỡ vài chục micro mét CNT nhỏ hơn tóc 100 lần nhưng bền hơn 50-100 lần thép, tỉ trọng bé hơn thép 6 lần Một sợi chỉ đường kính 1nm bằng CNT có thể treo vật nặng 20 tấn

Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do ví dụ: màng mỏng,

Hình 1.3 – Vật liệu nano 2 chiều

Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nano mét, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

1.1.3 Ứng dụng công nghệ nano trong bê tông

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

- Tận dụng vật liệu phế thải Tro trấu (RHA) của ngành nông nghiệp khu vực miền Tây Nam Bộ và nguồn phế thải Tro bay ngành công nghiệp là góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường, việc sử dụng sản phẩm phụ gia kết hợp NS+FA vào hỗn hợp bê tông HSC có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Mặt đường bê tông HSC khi có sử dụng phụ gia kết hợp NS+FA sẽ làm giảm nhiệt thủy hóa, giảm ứng suất nhiệt trong tấm nên có thể ứng dụng làm lớp mặt bê tông HSC cho đường có qui mô giao thông cấp cao

- Xây dựng các công thức thành phần vật liệu và dạng kết cấu áo đường bằng bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS+FA đây là nguồn tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà nghiên cứu, học viên cao học, kỹ sư thiết kế,…Trong tương lai sẽ có nhiều công trình đường đường Cao tốc và đường Quốc lộ được xây dựng bằng vật liệu bê tông HSC.

5

Giới thiệu về ứng dụng công nghệ vật liệu nano 5

1.1.1 Khái niệm về công nghệ vật liệu nano

Công nghệ vật liệu nano ngày nay không chỉ còn trong phòng thí nghiệm mà đã thâm nhập vào mọi lĩnh vực của đời sống, từ công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng đến những ngành chủ chốt khác như: Công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu, công nghệ y sinh Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang và sẽ cần đến nhiều nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực Công nghệ, vật liệu nano để nâng cao đời sống xã hội

Vật liệu nano có thể được định nghĩa một cách khái quát là loại vật liệu mà trong cấu trúc của các thành phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích thước nanomet

Theo Viện hàn lâm hoàng gia Anh quốc thì:

+ Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn

+ Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét

1.1.2 Phân loại vật liệu nano

Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí

Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:

+ Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano); Ví dụ: Đám nano, Hạt nano

Hình 1.1 – Vật liệu nano không chiều

C60 được các nhà khoa học Đức tìm ra bằng cách nén các ống Cacbon tí hon với nhau Những phân tử Cacbon này gồm 60 nguyên tử được cài vào nhau thành hình ngũ giác và lục giác như quả bóng tí hon

+ Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano ví dụ dây nano, ống nano,

Hình 1.2 – Vật liệu nano một chiều Ống nano (Cacbon Nano Tube-CNT) được giáo sư người Nhật Symio Ildzima tìm ra vào năm 1991 CNT- là phân tử từ hơn một chiều nguyên tử cacbon, chúng là ống có đường kính cỡ nm và chiều dài cỡ vài chục micro mét CNT nhỏ hơn tóc 100 lần nhưng bền hơn 50-100 lần thép, tỉ trọng bé hơn thép 6 lần Một sợi chỉ đường kính 1nm bằng CNT có thể treo vật nặng 20 tấn

Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do ví dụ: màng mỏng,

Hình 1.3 – Vật liệu nano 2 chiều

Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nano mét, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

1.1.3 Ứng dụng công nghệ nano trong bê tông

Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét Scanning Probe Microscope - SPM và Scanning Tunneling Microscope - STM có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano Công nghệ nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, làm tăng và tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giảm kích thước của các thiết bị đến kích thước cực nhỏ Công nghệ nano giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường Theo Sobolev and Sanchez [27], áp dụng công nghệ nano đã tạo nên những đột phá trong nhiều lĩnh vực như y tế, năng lượng, sinh học, công nghệ thông tin, điện tử, vật liệu và nhiều lĩnh vực quan trọng khác

Công nghệ nano là các công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo, ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước ở quy mô nanomet (10 -9 m) Vật liệu nano có thể được định nghĩa là các hạt có kích thước trong khoảng từ 1nm đến 100nm Hạt nano tồn tại trong các khu vực chuyển tiếp từ cụm nguyên tử sang vật chất vĩ mô với tỷ lệ bề mặt đặc trưng cao, bao gồm hạt nano kim loại, nano phi kim loại, nano hữu cơ, nano vô cơ và hạt nano sinh học [60] Công nghệ nano ứng dụng được ứng trong ngành vật liệu xây dựng với số lượng đáng kể nhằm chế tạo các loại vật liệu như bê tông, sơn, kính, thép, composite,… (Hình 1.4) [26]

Hình 1.4 – Ứng dụng nano trong lĩnh vực vật liệu xây dựng

Bê tông là một vật liệu đa quy mô có thể được xem xét bắt đầu từ nm cho đến cm Điều này hoàn toàn đúng cho cả các thành phần bê tông từ hạt nano đến cốt liệu thô và cấu trúc vi mô từ gel C-S-H đến cốt liệu thô Hiện nay, việc ứng dụng vật liệu nano và nghiên cứu bê tông ở quy mô nanomet được coi là chủ đề đang được quan tâm và đã trở thành một lĩnh vực cho nhiều nhà nghiên cứu [26]

Có nhiều loại vật liệu khoáng ở kích thước nano có thể sử dụng để tăng cường chất lượng bê tông như là nano SiO2 (nano silica, NS) [16], nano CaCO3 [68], nano Al2O3 [63], nano

Fe3O4 [50], nano TiO2 [35] và nano metakaolin [51] Giữa các vật liệu nano đó, NS là loại được áp dụng rộng rải nhất trong bê tông do hoạt tính cao, diện tích bề mặt đặc trưng cao do đó các hoạt động pozzolanic trong bê tông có thể đạt ở mức độ cao Hơn nữa, NS có thể thúc đẩy quá trình hòa tan C2S trong xi măng và tạo ra sản phẩm C-S-H hoạt động cao, tỷ lệ nghịch với kích thước của các hạt silica [41].

Tổng quan về bê tông xi măng sử dụng nano silica trên thế giới 7

BTXM là loại vật liệu xây dựng được tiêu thụ nhiều nhất, bê tông thường được sử dụng trên thế giới có cường độ cao, mô đun đàn hồi lớn, tính dẻo và tính dễ thi công Định hướng của các kết cấu công trình cầu hiện đại là vượt nhịp, cường độ cao và tuổi thọ thiết kế lâu dài với yêu cầu cao hơn đối với bê tông Tuy nhiên, bê tông thường khó có thể đáp ứng các yêu cầu đó So sánh với bê tông truyền thống, HSC và bê tông chất lượng cao có những tính chất cơ học và độ bền vượt trội hơn và gần đây chúng được sử dụng phổ biến và rộng rãi hơn HSC có thể được minh họa như một loại bê tông có thể đáp ứng các kết hợp đặc biệt của các tính chất và yêu cầu về tính đồng nhất, thường không thể có được bằng cách sử dụng vật liệu, cấp phối truyền thống Với sự phát triển như hiện nay, có nhiều phương pháp để chế tạo HSC Thông thường, những loại phụ gia có thể được thêm vào bê tông để có được chất lượng cao, và những loại phụ gia phổ biến bao gồm các loại phụ gia khoáng, phụ gia hóa học Trong số phụ gia khoáng được thêm vào bê tông, nano silica có nhiều triển vọng và được dự đoán sẽ phổ biến trong tương lai [60]

Theo Sanchez và Sobolev đã nghiên cứu sự phân bố kích thước hạt có trong bê tông thông thường so với bê tông HSC và bê tông chất lượng cao sử dụng nano silica [27] Bê tông HSC và bê tông chất lượng cao là kết quả của sự cải tiến cấu trúc đá xi măng thông qua silica fume và các khoáng pozzolanic khác Sự phân bố kích thước hạt của HSC và bê tông chất lượng cao nằm trong khoảng từ kích thước cỡ mm lên đến khoảng 100nm (Hình 1.5) Đối với HSC sử dụng nano silica, phạm vi kích thước hạt nhỏ nhất của bê tông đạt ở mức độ khoảng 5nm [27]

Hình 1.5 – Sự tương quan giữa kích thước hạt và diện tích bề mặt trong bê tông Ứng xử cơ học của vật bê tông phụ thuộc vào các yếu tố cấu trúc có hiệu quả ở kích thước micro và nano Kích thước ở giai đoạn hydrat canxi silicat (C-S-H), thành phần có quyết định về cường độ và các tính chất khác trong cấu trúc xi măng, nằm trong phạm vi vài nm

[34] Do đó, công nghệ nano có tiềm năng trong kỹ thuật bê tông qua ứng xử tối ưu để cải thiện tính chất cơ học và tính bền vững của bê tông HSC

Nhiều nghiên cứu về sự ảnh hưởng của hạt NS đã được tiến hành trong những năm gần đây Kết quả nghiên cứu mang lại nhiều khích lệ và sự động viên cho các nghiên cứu mới bắt đầu Trong luận án tiến sĩ của Quercia (2014) tại Đại học Eindhoven trình bày một cách thấu đáo về tính năng vượt trội khi sử dụng NS thêm vào bê tông [29] Những tác động từ việc lấp đầy các lỗ rỗng đến những ảnh hưởng về mặt lý hóa đã được nêu rõ trong luận án với nhiều số liệu thí nghiệm Quercia đã khảo sát với nhiều loại kích thước và sự phân bổ kích thước hạt để đánh giá sự ảnh hưởng đến tính chất cơ học của bê tông từ lúc bắt đầu thủy hóa đến khi hình thành cường độ NS không những kích hoạt mạnh các phản ứng hyrat tạo các sản phẩm C-S-H có chất lượng, chúng còn chèn kín các lỗ rỗng với kích thước siêu mịn dẫn đến cường độ bê tông tăng lên và sự suy giảm các yếu tố nguy hại cho bê tông như thấm, ăn mòn một cách đáng kể Thay đổi chất lượng của vùng chuyển tiếp vữa và cốt liệu cũng được đề cập khi thêm thành phần NS vào bê tông Điều đó giúp cải thiện các phẩm chất và tạo ra một loại bê tông có độ bền cao cùng với nhiều tính năng đặc biệt

1.2.2 Một số ứng dụng bê tông cường độ cao sử dụng vật liệu nano

Với các tính năng nổi bậc bê tông và các sản phẩm vữa có thành phần nano đã được áp dụng tại nhiều nước phát triển Một số sản phẩm vữa khô sử dụng công nghệ nano hiện đang có mặt trên thị trường là ChronoliaTM, AgiliaTM, DuctalTM của hãng Lafarge hay các sản phẩm vữa khô Emaco Nanocrete của hãng BASF (Hình 1.6) [23]

Tại châu Âu, ứng dụng vật liệu nano được sử dụng trong sửa chữa công trình như: bê tông và vữa không co ngót trong thay thế khe co giãn, nắp hố ga, thay thế bê tông hư hỏng, bong tróc trong các công trình nhà và cầu đường

Hình 1.6 – Vữa xi măng phụ gia nano sửa chữa công trình cầu đường (BASF)

Vật liệu nano còn ứng dụng nhiều trong việc sản xuất các loại xi măng đặc biệt ứng dụng sản xuất các cấu kiện chất lượng cao phục vụ hạ tầng kỹ thuật như vỏ hầm, sàn bê tông, tấm panel…Một số công trình nổi tiếng trên thế giới được biết đã ứng dụng bê tông sử dụng vật liệu nano trong bê tông có thể kể đến như công trình nhà thờ Jubilee ở Rome (Hình 1.7) với các kết cấu vỏ bọc dày 80cm bằng bê tông sử dụng nano TiO2, được xây dựng từ năm 1996 Công trình cầu Gartnerplatzbrucke sông Fulda tại Đức (Hình 1.8) có các trụ cầu được thi công bằng bê tông cường độ cao sử dụng nano silica, cầu Iowa được xây dựng năm 2006 tại Hoa Kỳ (Hình 1.9) được thi công bởi bê tông cường độ cao sử dụng nano silica với tỉ lệ 1.0% chất kết dính

Công trình đường hầm Umberto I (Rome) (Hình 1.10) với kết cấu vỏ hầm ứng dụng bê tông có thành phần nano, tòa nhà Philharmonie de Paris (Hình 1.11) được thi công bằng bê tông sử dụng nano TiO2 là 3.0% được xây dựng năm 2015

Hình 1.10 – Đường hầm Umberto I – Rome (2007)

Hình 1.11 – Tòa nhà Philharmonie de Paris (2015)

1.2.3 Ảnh hưởng của NS đến các tính năng của bê tông

Theo nhiều nghiên cứu trên thế giới, NS thêm vào vữa và bê tông có thể có những ảnh hưởng khác nhau [29] Các hạt NS đã làm thay đổi các tính năng của bê tông thông qua việc làm tăng tốc độ thủy hóa của xi măng, cải thiện cải thiện cấu trúc vi mô, giảm các lỗ rỗng và cải thiện chất lượng bề mặt chuyển tiếp giữa vữa và cốt liệu (ITZ) Nguyên nhân của sự ảnh hưởng này là do diện tích bề mặt rất cao của NS và khả năng kích hoạt sự kết tủa của gel C-S-H Các hạt NS tham gia vào phản ứng pozolanic loại bỏ các Ca(OH)2 tạo ra các gel C-S-H với độ rắn và chất lượng cao hơn (Phương trình 1.1) Với kích thước siêu nhỏ của các hạt NS có khả năng lấp đầy các lỗ rỗng siêu nhỏ trong bê tông, tạo ra các mầm tinh thể liên kết chặt trong lỗ rỗng dẫn đến tăng cường độ kéo khi uốn và giúp cho bê tông có độ chặt cao hơn NS còn đóng vai trò như các trung tâm hạt nhân cho phép hình thành các cụm C-S-H, thúc đẩy mạnh hơn sự hydrat hóa, dẫn đến sự gia tăng về mặt cường độ và độ bền của bê tông, được trình bày theo sơ đồ (Hình 1.12)

Hình 1.12 – Sơ đồ ảnh hưởng của NS trong vữa và bê tông cường độ cao [29]

Phương trình phản ứng pozzolanic diễn ra trong bê tông giữa canxihydroxit và silica khi có sự hiện diện của nước [29]:

Ca(OH)2 + SiO2 + 2H2O → Ca 2+ + H2SiO4 2- + 2H2O → CaH2SiO4.2H2O (1.1)

Sản phẩm của sự phản ứng chính là các canxi silicat hydrat CaH2SiO4.2H2O (C-S-H) có các pha với cấu trúc sợi liên kết cơ học với các thành phần khác trong bê tông Do các hạt

NS có diện tích bề mặt rất lớn so với hạt xi măng hay các hạt SiO2 trong silica fume, nên ngay cả một lượng nhỏ các vật liệu này cũng có thể tăng tốc phản ứng pozzolanic đáng kể Ảnh hưởng của NS đến bê tông được đề cập trong rất nhiều nghiên cứu của các tác giả trên thế giới Chúng sẽ được phân tích cụ thể trong nội dung phần tiếp theo

1.2.3.1 Ảnh hưởng của NS đến tính chất của hỗn hợp bê tông a) Độ sụt và độ sòe Độ sụt và độ chảy xòe thường được sử dụng để đánh giá tính dễ thi công của bê tông

Cụ thể, độ chảy lan được dùng đánh giá tính dễ thi công của bê tông tươi với khả năng chảy cao Tình trạng kết tụ của các hạt NS có thể ảnh hưởng đến độ chảy xòe của bê tông tươi [29][30] Supit và Shaikh cho rằng việc sử dụng các hạt NS trong bê tông có thể làm giảm đáng kể độ sụt khoảng 40% và 60% đối với hàm lượng NS tương ứng từ 2÷4% [68] Zhang và cộng sự [60] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng NS đến độ chảy lan và độ sụt của bê tông kết hợp với Tro bay 15% Kết quả cho thấy, áp dụng NS trong hỗn hợp bê tông dẫn đến giảm độ sụt và độ chảy lan, và sự sụt giảm đó tăng lên với hàm lượng NS tăng Ngoài ra, Bahadori và Hosseini [31] đã cho thấy qua thí nghiệm độ sụt với kết quả có sự sụt giảm nghiêm trọng đối với bê tông có thành phần NS với điều kiện tỷ lệ phụ gia siêu dẻo không thay đổi Givi và cộng sự đã quan sát qua các thí nghiệm, hàm lượng NS có ảnh hưởng đáng kể đến tính lưu động của hỗn hợp bê tông tươi với tỉ lệ N/CKD không thay đổi là 0.4 và tất cả các hỗn hợp bê tông chứa NS có giá trị độ sụt thấp [18] Tính làm việc của bê tông tươi bị ảnh hưởng có thể do diện tích bề mặt tăng lên với vật liệu nano được sử dụng, đòi hỏi cần một lượng nước lớn hơn để đủ làm ướt xi măng và NS

Hình 1.13 – Ảnh hưởng của NS đến độ sụt của hỗn hợp bê tông [42]

Jalal và cộng sự [48] kết luận rằng, bê tông trộn với các hạt NS và Tro bay làm giảm các đặc tính lưu động của bê tông HSC, tuy nhiên việc bổ sung các hạt NS và Tro bay cải thiện độ sệt của bê tông tươi Có nhiều ý kiến cho rằng cần điều chỉnh lượng nước và phụ gia siêu dẻo để bê tông sử dụng NS đáp ứng các yêu cầu về tính lưu động của hỗn hợp HSC [60] b) Thời gian đông kết

Tổng quan về bê tông xi măng sử dụng Tro bay (FA) trên thế giới 17

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu, nhiều công trình sử dụng 1 phần FA để thay thế xi măng trong hỗn hợp bê tông Hàm lượng FA dùng để thay thế xi măng từ 15÷25% với FA loại F, từ 20÷35% với tro bay loại C [58][73]

Rất nhiều bang ở Mỹ và các tỉnh ở Canada, ở vùng cận nhiệt đới và hàn đới có nhiều dự án đường ô tô và đường liên các tiểu bang đã sử dụng thành công bê tông xi măng có FA từ những thập kỷ 50 và 60 Tháng giêng năm 1974 tổ chức Uỷ ban đường cao tốc liên bang Hoa Kỳ (FHA) khuyến khích sử dụng tro bay trong bê tông mặt đường trong chú ý N 5080.4, khuyến cáo đã cho rằng khi sử dụng lượng FA thay thế từ 10÷25% xi măng thì cường độ tương đương hoặc cao hơn và bê tông có độ bền cao hơn Năm 2006, Bộ năng lượng Mỹ khuyến cáo tận dụng FA trong xây dựng làm giảm sử dụng các vật liệu nguyên bản, giảm phát thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính Theo thống kê của Liên bang các dự án bê tông xi măng đã sử dụng 5.3 triệu tấn tro bay trong vòng từ năm 2004÷2005, điều này đã mang lại lợi ích rất lớn cho môi trường gồm: tránh được phải sử dụng năng lượng 25 tỷ MJ, tránh được sử dụng 2 tỷ lít nước và tránh phát thải 3.8 triệu tấn CO2 Và kết quả này cũng chỉ ra rằng việc sử dụng FA trong hai năm đó đã tiết kiệm việc phải sử dụng năng lượng là 700 triệu đô là từ năng lượng và 1.2 triệu đo từ việc dùng nước [74]

Khi sử dụng FA thay thế một phần xi măng thì sản phẩm bê tông có ưu điểm nổi bật là: giảm nhiệt thuỷ hóa nên thích hợp cho bê tông khối lớn; giảm lượng nước sử dụng, giảm độ co gót, cải thiện bề mặt thành phẩm, Để giảm thiểu hơn nữa lượng dùng xi măng đồng thời tăng tính ưu việt của bê tông FA, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và xuất hiện khái niệm

Bê tông nhiều FA Sau đây là một số ví dụ về các nghiên cứu và công trình sử dụng FA trong bê tông xi măng:

V.M Malhotra trong nghiên cứu cho rằng có nhiều yếu tố bất lợi khi sản xuất xi măng, do vậy cần tăng cường việc sử dụng các nguyên vật liệu thay thế xi măng như FA, xỉ hạt lò cao, puzơlan tự nhiên, RHA, silicafume,…nhằm giảm lượng tiêu thụ clanke Vì vậy tác giả đã đặc biệt chú ý về vai trò của tro bay như một nguyên liệu cho công nghiệp sản xuất xi măng [49][74]

Trong nghiên cứu này tác giả đã thay thế xi măng bằng FA tới 60% với tỷ lệ N/CKD 0.30 trong đó lượng xi măng sử dụng là 150 kg/m 3 , FA 200 kg/m 3 , lượng nước nhào trộn là 120lít/m 3 Tác giả đã nghiên cứu sự phát triển cường độ của bê tông đến tuổi 10 năm Bê tông ở tuổi 1 ngày mới chỉ đạt 7.8MPa trong khi ở tuổi 10 năm cường độ bê tông đạt 112.3 MPa Loại bê tông này đã sử dụng thành công ở một vài dự án ở Canada

N Bouzoubaâ và B Fourier [58] đã sử dụng tro bay loại F để nghiên cứu sự phát triển cường độ của bê tông với tỷ lệ thay thế xi măng từ 30÷50% theo khối lượng, hàm lượng chất kết dính từ 300÷400kg/m 3 , cường độ nén được xác định ở các tuổi 7, 28, 56 ngày đã kết luận:

- Có thể sử dụng bê tông FA không phụ gia siêu dẻo với hàm lượng FA đạt đến 50% cho cường độ nén tuổi 28 ngày lớn hơn 40MPa

- Khi thay thế xi măng bằng 30% FA cường độ tuổi 1 ngày thấp hơn, tuy nhiên sau 28 ngày cường độ đạt cao hơn so với bê tông không có tro (loại FA Sundance) Với FA Point Tupper, cường độ tuổi 28 ngày của bê tông tương đương với bê tông đối chứng

Rafat Siddique [65] đã nghiên cứu thay thế xi măng bằng FA với tỷ lệ 40%, 45%, 50% trên tổng hàm lượng chất kết dính là 400kg/m 3 Từ kết quả nghiên cứu tác giả đưa ra nhận xét:

- Mức độ tăng cường độ ở tuổi 91 ngày so với tuổi 28 ngày thấp hơn so với mức độ tăng cường độ ở tuổi 365 ngày so với tuổi 28 ngày

- Việc thay thế xi măng bằng FA với tỷ lệ 40%, 45% và 50% làm giảm cường độ nén, cường độ uốn, cường độ ép chẻ, môđun đàn hồi của bê tông ở tuổi 28 ngày, tuy nhiên, sau

28 ngày tình hình được cải thiện

- Bê tông thay thế xi măng bằng FA với tỷ lệ 40%, 45% và 50% có cường độ thiết kế tuổi

28 ngày cho phép sử dụng trong kết cấu chịu lực

- Khả năng chịu mài mòn của bê tông phụ thuộc vào cường độ nén và hàm lượng FA sử dụng Khả năng chịu mài mòn của bê tông tăng khi tuổi của bê tông tăng với tất cả các tỷ lệ

Mukkherjee và cộng sự [61] đã sử dụng bê tông FA có phụ gia siêu dẻo với tỷ lệ FA là 37% so với chất kết dính (600kg/m 3 ) và tỷ lệ N/CKD là 0.28 Báo cáo cho kết quả cường độ nén ở 7, 28, 3 tháng và 1 năm là 35÷37; 51÷54; 62÷67 và 63÷70MPa

Swamy và Mahmud [64] sử dụng bê tông siêu dẻo với 50% FA hàm lượng vôi thấp so với chất kết dính Khối lượng chất kết dính cho một khối bê tông là 470kg/m3 Tỷ lệ N/CKD và lượng chất kết dính so với tổng khối lượng chất kết dính là 0.3 và 1.8% Báo cáo này cho kết quả cường độ chịu nén mẫu lập phương 28 ngày tuổi ở điều kiện bảo dưỡng ẩm và khô là 63MPa và 53MPa

Poon và cộng sự [25] thay thế 45% FA trong bê tông mẫu hình lập phương đạt được cường độ là 89MPa ở 28 ngày và 107MPa ở 90 ngày với tỷ lệ N/CKD là 0.24 Bê tông này sử dụng phụ gia siêu dẻo và lượng chất kết dính là 640kg/m 3 Sự thay thế 45% xi măng cường độ chịu nén 28 ngày với các tỷ lệ N/CKD là 0.5; 0.3 và 0.19 lần lượt là 23.3; 58.9 và 94.9MPa

Một số công trình ứng dụng bê tông phụ gia tro bay (FA)

Cường độ nén yêu cầu:

- Thấp hơn 50MPa sau 150 ngày;

- Lớn hơn 35MPa sau 28 ngày

Sử dụng hết 26.000 m 3 bê tông;

Bao gồm 17,780 m 2 làm văn phòng, các rạp chiếu phim, khu thương mại và bãi đỗ xe ô tô Cột nhà có đường kính 900 mm

Bê tông sử dụng phụ gia tro bay (FA) có thành phần cấp phối như sau:

Cốt liệu lớn (Dmax mm) : 1100 kg/m 3 ;

Công trình bến cảng Purdy Wharf – Canada:

Cường độ nén thiết kế ở 28 ngày là

Bê tông tro bay (FA) đã được lựa chọn cho một phần của dự án này, cường độ nén lúc 7 ngày là 32MPa và lúc 28 ngày là 51MPa

Gồm một tòa nhà văn phòng 22 tầng Hình 1.17 – Công trình bến cảng Purdy

Cấp phối bê tông sử dụng phụ gia tro bay (FA) như sau:

Dự án đường ở khu sân bãi của trường đại học Saurashatra, Ấn Độ:

Hình 1.18 – Dự án ở trường Đại học Saurashatra

Dự án xây dựng đường ở khu sân bãi của Trường Đại học Saurashtra, Rajkot Ấn Độ là con đường rộng 6m dài 2.3km chiều dày lớp bê tông tổng cộng là 200mm: lớp trên bê tông nhiều tro bay M35 có 35% thay tro bay; lớp dưới bê tông nhiều trobay M35 có 50% thay tro bay Cường độ chịu nén của bê tông lớp trên và lớp dưới ở 28 ngày tuổi lần lượt là 41.6MPa và 39.5MPa; cường độ kéo khi uốn lần lượt là 6.3MPa và 6.2 MPa

Khoảng năm 2002÷2005 dự án đường ở Ropar rộng 7m dày 300mm làm bằng bê tông nhiều tro bay, lượng tro bay thay thế là 50% so với chất kết dính, tỷ lệ N/X là 0.32 cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi đạt 41.6MPa, cường độ kéo uốn đạt 7.6MPa Một số dự án về đường ôtô cũng đã được xây dựng ở Mỹ và một số nước khác bằng bê tông nhiều tro bay.

Tổng quan về bê tông xi măng sử dụng NS và FA trên thế giới 18

Nghiên cứu của Jahidul Islam [42] đã thay thế tới 50% xi măng bằng FA và xỉ lò cao Ngoài ra để tăng cường độ sớm cho bê tông thay thế FA và xỉ lò cao tác giả đã sử dụng thêm

NS và muội silic với hàm lượng từ 1÷2% Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ bê tông tăng từ 15÷20% và tăng nhiều hơn ở tuổi sớm Ngoài ra do tác dụng của Nano-silica khả năng chống thấm của ion clo tăng lên Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của vật liệu và công nghệ nano thì NS đang hứa hẹn sẽ thay đổi ngành công nghiệp bê tông theo hướng nâng cao cường độ cũng như độ bền của bê tông

Peng Zhang và cộng sự [62] các hạt NS được thêm vào bê tông với tỷ lệ 1%, 2%, 3%, 4% và 5% và tỉ lệ FA dùng cố định mức 15% theo trọng lượng chất kết dính Kết quả nghiên cứu cho thấy các hạt NS được thêm vào ở các mức độ thay thế khác nhau, cường độ kéo nén, uốn của các mẫu thử đã tăng lên lần lượt là 15.5%, 27.3% và 19% so với bê tông đối chứng Việc bổ sung NS nâng cao khả năng của bê tông Khi hàm lượng các hạt NS là 2%, số lần tác động vết nứt đầu tiên đạt tối đa là 37, cao hơn 23.3% so với bê tông đối chứng Đồng thời, khả năng chống xâm nhập của clorua của các mẫu tăng lên đáng kể Mức thay thế xi măng tối ưu của NS trong bê tông để đạt được độ bền tốt nhất là 2÷3%

Nghiên cứu của Li [72] đã báo cáo rằng việc sử dụng một lượng nhỏ NS (đường kính 10±

5 nm) có thể làm tăng cả tuổi sớm và tuổi muộn của bê tông nhiều tro bay Như Hình 1.19 đã thể hiện, cường độ chịu nén của bê tông nhiều tro bay (50% theo khối lượng của chất kết dính) với 4% NS (SHFAC) là 81% và 59% cao hơn tương ứng ở 1 và 3 ngày tuổi, so sánh với mẫu bê tông đối chứng sử dụng tro bay không NS (HFAC)

Hình 1.19 – Sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông FA có sử dụng hàm lượng nhỏ NS để thay thế xi măng

Said và Zeidan [69] nghiên cứu ảnh hưởng của NS (đường kính hạt 35nm) tới sự phát triển cường độ của bê tông với 30% FA Họ thấy rằng với 3% NS cường độ chịu nén ở 3 ngày và 7 ngày tăng tương ứng 3.7% và 2.6%, trong khi bê tông với 6% NS phụ thêm cường độ tăng tương ứng là 14.8% và 15.4%, khi so sánh với bê tông không sử dụng NS

* Nhận xét: Những nghiên cứu trên đã chỉ ra rằng tốc độ thủy hóa và phản ứng pozzolan của bê tông FA được tăng lên khi tích hợp thêm một lượng nhỏ NS Tuy nhiên, tùy từng trường hợp mà sự cải thiện này là khác nhau Như đã đề cập ở trên muội silic làm tăng cường độ chịu nén của bê tông FA ở tuổi sớm Do đó, khi thêm một lượng nhỏ muội silic thì cường độ bê tông FA ở tuổi sớm tăng không đáng kể.NS có thể đóng vai trò thích hợp hơn muội silic

1.5 Tình hình nghiên cứu sử dụng NS và FA trong bê tông tại Việt Nam

Các nghiên cứu ứng dụng NS trong lĩnh vực xây dựng tại Việt Nam đa số được tiến hành trong các năm gần đây Một số nghiên cứu đi sâu vào các lĩnh vực liên quan đến bê tông như: Nghiên cứu của tác giả Ngô Văn Thức (2020), nghiên cứu tính chất cơ học và đặc điểm phá hủy của bê tông cường độ cao sử dụng NS ứng dụng trong công trình cầu Luận án đã thiết kế thành phần bê tông cường độ cao (BTCĐC) sử dụng NS với cường độ đặc trưng 70MPa ứng dụng trong công trình cầu Bảy cấp phối thành phần BTCĐC được thiết kế với sự thay đổi hàm lượng NS sử dụng từ 0 đến 3% và SF cố định là 5% theo N/CKD là 0.27 Đã xác định ảnh hưởng của NS đến một số tính chất cơ học chủ yếu của BTCĐC như: cường độ nén, cường độ kéo khi uốn và mô đun đàn hồi Kết quả thể hiện, tỉ lệ 1.5% giúp cải thiện các tính chất cơ học tốt hơn so với các hàm lượng sử dụng khác [4]

Trong nghiên cứu của Trần Hữu Bằng (2019), nghiên cứu vật liệu NS điều chế từ tro trấu và silica fume làm phụ gia cho bê tông xi măng trong xây dựng đường ô tô khu vực miền Tây Nam Bộ NS được sử dụng như một chất phụ gia để chế tạo bê tông với các cấp cường độ từ 30 đến 40MPa, với hàm lượng NS sử dụng từ 0 đến 2% khối lượng chất kết dính Tác giả đã thí nghiệm để đưa ra các thông số chủ yếu về cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn, khả năng chống thấm ion clo, hệ số thấm và độ thấm sâu của bê tông xi măng (BTXM), tính công tác của BTXM cấp C35 sử dụng phụ gia NS và

BTXM sử dụng kết hợp phụ gia NS+SF trong kết cấu mặt đường ô tô Bên cạnh đó, tác giả cũng đã đề xuất cấu tạo các dạng kết cấu mặt đường ô tô BTXM sử dụng phụ gia NS và BTXM sử dụng kết hợp phụ gia NS+SF Đề xuất ứng dụng kết cấu mặt đường BTXM khu vực miền Tây Nam Bộ Chiều dài tấm khi dùng BTXM sử dụng phụ gia NS và BTXM sử dụng kết hợp phụ gia NS+SF cho mặt đường BTXM có thể lên đến 5m, tăng 10% so với qui định hiện hành [14]

Trong nghiên cứu sử dụng NS làm phụ gia nhằm giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa của tác giả Lê Văn Bách (2016), kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy việc thay thế bột khoáng trong bê tông nhựa bởi NS điều chế từ tro trấu với hàm lượng 0.5% và 1% sẽ làm tăng độ ổn định Marshall cũng như làm giảm được hằn lún vệt bánh xe cho bê tông nhựa Nhưng nếu thay thế đến 1.5% bột khoáng bởi NS trong thành phần của bê tông nhựa thì chiều sâu hằn lún vệt bánh xe sẽ tăng lên nhưng không đáng kể Tác giả đã kết luận rằng, vật liệu NS có triển vọng ứng dụng làm phụ gia cho bê tông nhựa và ứng dụng trong ngành vật liệu xây dựng [3]

Nhóm các tác giả Phạm Duy Hữu, Vũ Việt Cường, Vương Đặng Lê Mai, Đặng Thị Thanh

Lê, Trần Hữu Bằng (2015) đã công bố kết quả nghiên cứu, “Sử dụng SiO2 điều chế từ tro trấu để tăng cường độ tuổi sớm cho bê tông xi măng nhiều tro bay”, Mức tăng này tỉ lệ với hàm lượng sử dụng, cụ thể 15.9% với 1% nano SiO2 và 46.8% với 2% nano SiO2 sản xuất từ tro trấu khi cho vào bê tông xi măng nhiều tro bay đã giải quyết được vấn đề phát triển cường độ chậm ở tuổi sớm Điều này làm tăng khả năng ứng dụng của bê tông xi măng nhiều tro bay, giảm lượng xi măng trong bê tông, tăng lượng sử dụng phế thải giúp giảm thiểu ô nhiễm, đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững [11]

Ngoài ra còn một số nghiên cứu khác sử dụng vữa khô gốc nano phục vụ sửa chữa cầu của nhóm nghiên cứu Trường Đại học Giao thông Vận tải [15], hay các nghiên cứu sử dụng RHA kết hợp với dung dịch kiềm hoạt hóa để xử lý đất yếu cho nền đường ô tô của nhóm nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh [7]

* Nhận xét: Hầu như tất cả các nghiên cứu sử dụng nano silica trong bê tông tại Việt Nam đều cho kết quả khả quan với các tác dụng tuyệt vời của silica ở kích thước nanomet Tuy nhiên các nghiên cứu với số lượng còn hạn chế, ứng dụng NS kết hợp với FA trong HSC chưa được đề cập và làm rõ các chỉ tiêu cơ lý của loại bê tông này

1.6 Yêu cầu chung đối với thiết kế kết cấu của mặt đường bê tông xi măng

1.6.1 Kết cấu áo đường bê tông xi măng

Mặt đường ô tô có tầng mặt bằng bê tông xi măng có thể có cốt thép, lưới thép hoặc không Kết cấu áo đường bê tông xi măng thông thường từ trên xuống dưới gồm các tầng lớp sau:

- Tầng mặt bằng bê tông xi măng thông thường

- Tầng móng gồm lớp móng trên và lớp móng dưới

+ Tạo một lòng đường chịu lực đồng nhất (đồng đều theo chiều rộng), có sức chịu tải tốt;

+ Ngăn chặn ẩm thấm từ trên xuống nền đất và từ dưới lên tầng móng áo đường; + Tạo “hiệu ứng đe” để đảm bảo chất lượng đầm nèn các lớp móng phía trên;

+ Tạo điều kiện cho xe máy đi lại trong quá trình thi công áo đường không gây hư hại nền đất phía dưới (nhất là khi thời tiết xấu) [2]

Yêu cầu chung đối với thiết kế kết cấu của mặt đừng bê tông xi măng 20

Trong nghiên cứu sử dụng NS làm phụ gia nhằm giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa của tác giả Lê Văn Bách (2016), kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy việc thay thế bột khoáng trong bê tông nhựa bởi NS điều chế từ tro trấu với hàm lượng 0.5% và 1% sẽ làm tăng độ ổn định Marshall cũng như làm giảm được hằn lún vệt bánh xe cho bê tông nhựa Nhưng nếu thay thế đến 1.5% bột khoáng bởi NS trong thành phần của bê tông nhựa thì chiều sâu hằn lún vệt bánh xe sẽ tăng lên nhưng không đáng kể Tác giả đã kết luận rằng, vật liệu NS có triển vọng ứng dụng làm phụ gia cho bê tông nhựa và ứng dụng trong ngành vật liệu xây dựng [3]

Nhóm các tác giả Phạm Duy Hữu, Vũ Việt Cường, Vương Đặng Lê Mai, Đặng Thị Thanh

Lê, Trần Hữu Bằng (2015) đã công bố kết quả nghiên cứu, “Sử dụng SiO2 điều chế từ tro trấu để tăng cường độ tuổi sớm cho bê tông xi măng nhiều tro bay”, Mức tăng này tỉ lệ với hàm lượng sử dụng, cụ thể 15.9% với 1% nano SiO2 và 46.8% với 2% nano SiO2 sản xuất từ tro trấu khi cho vào bê tông xi măng nhiều tro bay đã giải quyết được vấn đề phát triển cường độ chậm ở tuổi sớm Điều này làm tăng khả năng ứng dụng của bê tông xi măng nhiều tro bay, giảm lượng xi măng trong bê tông, tăng lượng sử dụng phế thải giúp giảm thiểu ô nhiễm, đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững [11]

Ngoài ra còn một số nghiên cứu khác sử dụng vữa khô gốc nano phục vụ sửa chữa cầu của nhóm nghiên cứu Trường Đại học Giao thông Vận tải [15], hay các nghiên cứu sử dụng RHA kết hợp với dung dịch kiềm hoạt hóa để xử lý đất yếu cho nền đường ô tô của nhóm nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh [7]

* Nhận xét: Hầu như tất cả các nghiên cứu sử dụng nano silica trong bê tông tại Việt Nam đều cho kết quả khả quan với các tác dụng tuyệt vời của silica ở kích thước nanomet Tuy nhiên các nghiên cứu với số lượng còn hạn chế, ứng dụng NS kết hợp với FA trong HSC chưa được đề cập và làm rõ các chỉ tiêu cơ lý của loại bê tông này

1.6 Yêu cầu chung đối với thiết kế kết cấu của mặt đường bê tông xi măng

1.6.1 Kết cấu áo đường bê tông xi măng

Mặt đường ô tô có tầng mặt bằng bê tông xi măng có thể có cốt thép, lưới thép hoặc không Kết cấu áo đường bê tông xi măng thông thường từ trên xuống dưới gồm các tầng lớp sau:

- Tầng mặt bằng bê tông xi măng thông thường

- Tầng móng gồm lớp móng trên và lớp móng dưới

+ Tạo một lòng đường chịu lực đồng nhất (đồng đều theo chiều rộng), có sức chịu tải tốt;

+ Ngăn chặn ẩm thấm từ trên xuống nền đất và từ dưới lên tầng móng áo đường; + Tạo “hiệu ứng đe” để đảm bảo chất lượng đầm nèn các lớp móng phía trên;

+ Tạo điều kiện cho xe máy đi lại trong quá trình thi công áo đường không gây hư hại nền đất phía dưới (nhất là khi thời tiết xấu) [2]

Với mặt đường bê tông xi măng chỉ cần có lớp này khi nền đường có điều kiện địa chất bất lợi và thường xuyên chịu ảnh hưởng của các nguồn ẩm

- Lớp nền đất trên cùng hay lớp nền thượng là phần nền đường trong phạm vi 80÷100cm, kể từ đáy lớp móng dưới trở xuống Đây chính là khu vực tác dụng của nền đường, là phạm vi nền đường tham gia chịu tác dụng của tải trọng bánh xe truyền xuống

Cả lớp móng trên và lớp móng dưới phải có khả năng chống xói, có độ cứng thích hợp và nên lựa chọn loại vật liệu và nên lựa chọn loại vật liệu cho lớp móng trên Không được dùng lớp móng trên bằng cấp phối đá dăm cho các kết cấu mặt đường có quy mô giao thông từ cấp trung bình trở lên (móng trên bằng cấp phối đá dăm chỉ được dùng cho cấp quy mô giao thông nhẹ)

1.6.2 Yêu cầu bề dày tấm bê tông xi măng

Chiều dày tấm bê tông xi măng phải được xác định thông qua kiểm toán với 2 trạng thái giới hạn, đó là tầng mặt bê tông xi măng không bị phá hoại (không bị nứt vỡ) do mỏi, đồng thời cũng không bị nứt vỡ dưới tác dụng tổng hợp của một tải trọng trục xe lớn nhất đúng vào lúc xuất hiện gradien nhiệt độ lớn nhất Để thuận lợi cho việc kiểm toán, bước đầu có thể tham khảo các trị số chiều dày tấm tùy thuộc vào cấp hạng đường và quy mô giao thông như Bảng 1.2 dưới đây [2]

Bảng 1.2 – Chiều dầy tấm bê tông xi măng thông thường tùy theo cấp hạng đường và quy mô giao thông

Cấp thông thường Chiều dầy tấm bê tông xi măng (cm)

Cực nặng Rất nặng Nặng Trung bình Nhẹ Đường cao tốc Đường cấp I, II, III Đường cấp IV, V, VI

1.6.3 Yêu cầu về cường độ của bê tông

Cường độ kéo uốn thiết kế yêu cầu đối với BTXM làm tầng mặt được quy định như sau:

- fr > 5.0MPa đối với bê tông xi măng mặt đường cao tốc, đường cấp I, cấp II và các đường có cấp quy mô giao thông nặng, rất nặng, cực nặng

- fr = 4.5MPa đối với đường các cấp khác, các đường có quy mô giao thông cấp trung bình và các đường có quy mô giao thông cấp nhẹ nhưng có xe nặng với trục đơn >100KN thông qua

- fr = 4.0MPa với đường khác có quy mô giao thông cấp nhẹ không có xe nặng với trục đơn >100KN thông qua Độ mài mòn xác định theo TCVN 3114:1993 không được lớn hơn 0.3g/cm 2 đối với mặt đường bê tông xi măng đường cao tốc, đường ô tô cấp I, cấp II, cấp III hoặc các đường có quy mô giao thông cực nặng, rất nặng và nặng và không được lớn hơn 0,6 g/cm 2 đối với mặt đường bê tông xi măng đường cấp IV trở xuống hoặc các đường có quy mô giao thông trung bình và nhẹ [2]

Trị số mô đun đàn hồi của bê tông xi măng làm tầng mặt được xác định bằng trị số mô đun đàn hồi suy ra từ thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo uốn của bê tông xi măng theo TCVN 3119:1993; Khi chưa có số liệu thí nghiệm trực tiếp xác định trị số mô đun đàn hồi thì có thể áp dụng các số liệu kinh nghiệm trong Bảng 1.3

Bảng1.3 – Trị số mô đun đàn hồi tính toán của các loại bê tông xi măng

Cường độ kéo uốn (MPa) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Cường độ nén (MPa) 5 7 11 15 20 25 30 36 42 49

Mô đun đàn hồi (GPa) 10 15 18 21 23 25 27 29 31 33

- Các chỉ tiêu ở bảng này đều ở tuổi mẫu 28 ngày;

- Cường độ chịu kéo uốn xác định theo TCVN 3119:1993;

- Cường độ chịu nén xác định theo TCVN 3118:1993.

Kết luận chương 1 22

- Trên thế giới và ở Việt Nam xu hướng sử dụng BTXM làm mặt đường ô tô ngày càng tăng, đặc biệt đối với các đường cấp cao và đường trục chính Đối với mặt đường BTXM, tính năng chính cần phải đáp ứng là cường độ nén, cường độ kéo uốn, độ mài mòn, mô đun đàn hồi…nhằm đảm bảo khả năng chịu lực và độ bền khai thác

- Theo kết quả tổng hợp và phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước, có thể nhận định NS đáp ứng được các yêu cầu sử dụng trong bê tông, bê tông cường độ cao một cách hiệu quả và được đánh giá có nhiều triển vọng

- Nghiên cứu sử dụng NS trong bê tông chưa thống nhất về hàm lượng Các nghiên cứu chủ yếu sử dụng NS trong các loại bê tông thường, có cường độ thấp Cần tiếp tục nghiên cứu về thành phần và các tính chất cơ học của HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA với các điều kiện thực tế ở khu vực Miền Nam

- Lựa chọn tỷ lệ phụ gia kết hợp NS và FA/CKD hợp lý sẽ tạo ra được bê tông HSC có cường độ chịu lực đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật làm mặt đường ô tô Bên cạnh đó phụ gia NS và FA còn có tác dụng giảm nhiệt thủy hóa và hàm lượng xi măng trong cấp phối giảm, dẫn đến giảm lượng khí thải CO2 do quá trình sản xuất xi măng ra môi trường

- Nghiên cứu nhằm tạo ra sản phẩm bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS+FA nhằm cải thiện các tính năng cơ học của mặt đường BTXM khu vực Miền Nam.

VÀ TRO BAY 23

Vật liệu chế tạo bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA 23

Công tác lấy mẫu (Hình 2.1 đến Hình 2.3) tiến hành thực nghiệm đã được nhóm tác giả thí nghiệm tại Công ty TNHH Sika Việt Nam; Công ty TNHH Nguyễn Phú Nguyên; Trung tâm kỹ thuật chuẩn đo lường chất lượng 3 (Quatest 3) và Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM - Phòng thí nghiệm Vật liệu Xây dựng LAS-XD 238 – Công ty CP Khoa học Công nghệ Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Hình 2.1 – Lấy mẫu Cát Hình 2.2 – Lấy mẫu Đá Hình 2.3 – Lấy mẫu

PC40+FA+NS 2.1.1 Xi măng PC40: Các đặc tính vật lý và thành phần hóa học của PC40 được sử dụng trong nghiên cứu này, được sản xuất tại Việt Nam thương hiệu Bút Sơn, phù hợp theo tiêu chuẩn TCVN 2682:2009 và Quyết định số 1951/BGTVT/2012 [1], khối lượng riêng của PC40 là 3.1g/cm 3 được tổng hợp trong Hình 2.4; Bảng 2.1 và Bảng 2.2

Hình 2.4 – Thí nghiệm khối lượng riêng xi măng PC40

Bảng 2.1 – Thành phần hóa học (%)

SiO 2 AL2O3 Fe2O 3 CaO MgO Na2O3 K2O SO3 CaO tự do

Bảng 2.2 – Thành phần vật lý của xi măng PC40

Thời gian đông kết (Phút)

3 ngày 28 ngày 3 ngày 28 ngày Bắt đầu Kết thúc

Tro bay có nguồn gốc từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 3 được sử dụng để thay thế xi măng, khối lượng riêng của FA là 2.12 g/cm 3 Tro bay được thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM C311-16 tại Trung tâm kỹ thuật chuẩn đo lường chất lượng 3 (Quatest 3) mã KT3- 01164BXD8 được tổng hợp Bảng 2.3

Bảng 2.3 – Kết quả thử nghiệm tro bay FA

2.1.3 Nano SiO 2 (NS) được điều chế từ tro trấu (RHA)

Nhóm tác giả sử dụng sản phẩm đã được điều chế từ RHA, kết quả nghiên cứu các hạt

NS có kích thước trung bình 15nm, cấu trúc tinh thể và vô định hình có khả năng phản ứng puzơlan Những tính chất vật lý chung của hạt NS điều chế từ tro trấu sử dụng được thể hiện trong Hình 2.5 đến Hình 2.8 và Bảng 2.4 [9]

Hình 2.5 – Mẫu tro trấu trước khi điều chế Hình 2.6 – Sản phẩm thu được nano SiO 2

Hình 2.7 – Ảnh SEM của mẫu SiO 2 Hình 2.8 – Ảnh TEM của mẫu SiO 2

Bảng 2.4 – Các tính chất vật lý chung của hạt nano SiO 2

Khối lượng riêng (g/cm 3 ) Độ tinh khiết (%) Dạng hình thù

Diện tích bề mặt riêng

Khối lượng thể tích xốp

* Nhận xét: Kết quả phân tích cho thấy, SiO2 là thành phần chính trong tro trấu và chiếm tỷ lệ về khối lượng khá cao (85.40%) Với những điều kiện phản ứng đã khảo sát bên trên, trong 100 gam tro trấu (có khoảng 85.40 gam SiO2) và như vậy SiO2 trong tro trấu gần như được tách hoàn toàn (hiệu suất > 99.5%) 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 Ngoài ra, 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 phụ gia cho bê tông xi măng

Trong đề tài đã sử dụng đá dăm Basalt Dmax = 9.5 mm ở mỏ đá Tân Đông Hiệp – Bình Dương Kết quả thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ, lý và phân tích thành phần hạt của đá dăm theo ASTM C33 [22]; ASTM C29 [21]; đáp ứng theo yêu cầu kỹ thuật TCVN 7570:06, TCVN 7572:06, và Quyết định số 1951/BGTVT/2012 [1] Được tổng hợp Bảng 2.5; Bảng 2.6; Hình 2.9 và Hình 2.10

Hình 2.9 – Sàng và phối trộn thành phần hạt của đá theo tiêu chuẩn ASTM C33

Bảng 2.5 – Các chỉ tiêu kỹ thuật của đá

TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả Phương pháp thử

1 Khối lượng riêng g/cm 3 2.74 ASTM C33; TCVN 7572-4:2006

2 Khối lượng thể tích chặt g/cm 3 1.61 ASTM C29; TCVN 7572-4:2006

5 Độ hỗng tự nhiên % 47.95 TCVN 7572-6:2006

6 Hàm lượng thôi dẹt % 10.14 TCVN 7572-13:2006

7 Hàm lượng phong hóa % 2.05 TCVN 7572-17:2006

8 Hàm lượng bùn, bụi, sét, % 0.09 TCVN 7572-8:2006

9 Độ mài mòn Los Angeles % 24.88 TCVN 7572-12:2006

Bảng 2.6 – Phân tích thành phần hạt của đá

Cỡ sàng 12.5mm 9.5mm 4.75mm 2.36mm 1.18mm Lượng lọt sàng (%) (ASTM C33

Lượng sót tích lũy trên sàng (%) 0.00 7.50 86.00 92.00 98.50

Hình 2.10 – Biểu đồ cấp phối thành phần hạt Đá theo ASTM C33

Cát sông Đồng Nai sử dụng làm thí nghiệm được tổng hợp Hình 2.11; Hình 1.12; Bảng 2.7 và Bảng 2.8 Được trình bày chi tiết các đặc tính vật lý và phân tích tương ứng theo tiêu chuẩn ASTM C33 [22], ASTM C29, đáp ứng theo yêu cầu kỹ thuật TCVN 7570:06; TCVN 7572:06 và Quyết định số 1951/BGTVT/2012

Hình 2.11 – Thí nghiệm thành phần hạt của cát Bảng 2.7 – Các chỉ tiêu kỹ thuật của cát

TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả Phương pháp thử

1 Khối lượng riêng g/cm 3 2.66 ASTM C33; TCVN 7572-4:2006

2 Khối lượng thể tích chặt g/cm 3 1.73 ASTM C29; TCVN 7572-4:2006

5 Độ hỗng tự nhiên % 43,2 TCVN 7572-4:2006

6 Mô đun độ lớn - 2.5 TCVN 7572-2:2006

7 Hàm lượng bùn sét % 0.95 TCVN 7572-8:2006

8 Hàm lượng ion Cl - % 0.027 TCVN 7572-15:2006

10 Tạp chất hữu cơ - Sáng hơn TCVN 7572-9:2006

Bảng 2.8 – Phân tích thành phần hạt của cát

Cỡ sàng 4.75mm 2.36mm 1.18mm 600m 300m 150m Lượng lọt sàng (%) (ASTM C33

Standard) 95-100 80-100 50-85 25-60 5-30 0-10 Lượng sót tích lũy trên sàng (%) 0.00 8.05 18.25 42.11 87.93 94.75 Lượng lọt sàng (%) 100 91.95 81.75 57.89 12.07 5.25

Hình 2.12 – Biểu đồ cấp phối thành phần hạt Cát theo ASTM C33

Nước dùng để chế tạo bê tông xi măng không lẫn dầu mỡ, các tạp chất hữu cơ khác và phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 4506:2012 Khi có nghi ngại, phải kiểm nghiệm các chỉ tiêu sau theo phương pháp thử ở 22TCN 69-84, độ pH ≥ 4; hàm lượng muối ≤ 0,005 mg/mm 3 và hàm lượng ion SO4 ≤ 0,0027 mg/mm 3 , “Theo Bộ giao thông vận tải (2012), Quyết định số 1951/QĐ-BGTVT ngày 17/8/2012 ban hành quy định tạm thời về kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông xi măng trong xây dựng công trình giao thông” Nước để chế tạo bê tông HSC sử dụng trong đề tài (rửa cốt liệu, trộn và bảo dưỡng bê tông) được lấy từ nguồn nước máy của hệ thống cấp nước sinh hoạt Đảm bảo chất lượng không lẫn các tạp chất làm ảnh hưởng đến các tính chất của bê tông và không có phản ứng phụ với phụ gia

2.1.7 Phụ gia siêu dẻo (PGSD)

PGSD đối với bê tông trong nghiên cứu được thiết kế thành phần theo bê tông HSC, đòi hỏi phải sử dụng các loại phụ nhgia siêu dẻo nhằm kiểm soát tỷ lệ N/CKD, điều này càng cần thiết khi chế tạo bê tông HSC sử dụng NS và FA Các hạt NS và FA có thể làm giảm độ sụt của bê tông do diện tích bề mặt đặc trưng rất lớn, sử dụng chất giảm nước cao nhằm mục đích đảm bảo tính công tác của bê tông tươi Phụ gia siêu dẻo dùng đúc mẫu bê tông sử dụng

NS và FA là loại Sika Viscocret 3000-20M của hãng Sika Sika Viscocrete 3000-20M là phụ gia giảm nước cao cấp cho bê tông trên cơ sở phối trộn của PCE polymer thế hệ thứ 3 để sản xuất bê tông cường độ cao Sika ViscoCrete 3000-20M phù hợp với tiêu chuẩn ASTM C494 loại G Sika ViscoCrete 3000-20M có tính chất vượt trội bởi khả năng giảm nước của nó rất cao, cung cấp độ chảy tốt mà vẫn giữ được độ kết dính tối ưu cho bê tông HSC được thể hiện Hình 2.13.

Thiết kế thành phần bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA 28

Các phương pháp thiết kế thành phần bê tông được sử dụng rộng rãi hiện nay là: Phương pháp ACI của Viện bê tông Hoa Kỳ, Phương pháp của Ban môi trường Anh (The British Deparment of the Environment); Phương pháp "Dreux - Gorisse" của Pháp; Phương pháp Mơđooc (L.J Murdock) của Anh; Phương pháp của Hội đồng bê tông poóclăng (The New Zealand Porland Concrete Institute); Phương pháp "Blomey Skramtaev" của Nga Mỗi phương pháp đều có phạm vi ứng dụng riêng Trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp ACI (ACI 211.4R-08) để thiết kế thành phần bê tông HSC

Các bước thiết kế thành phần bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và tro bay được tiến hành theo ACI 211.4R-08 [20] Hàm lượng phụ gia siêu dẻo xác định theo hướng dẫn của nhà sản xuất và điều chỉnh thực tế để đảm bảo độ sụt yêu cầu của hỗn hợp bê tông Hàm lượng tro bay và nano SiO2 được thêm vào các hỗn hợp bê tông dựa trên các nghiên cứu trên thế giới, các tài liệu chuyên khảo và khuyến cáo từ nhà sản xuất Tro bay và nano SiO2 được xem như là thành phần chất kết dính (CKD), vì thế lượng xi măng sử dụng sẽ được hiệu chỉnh theo một tỉ lệ thích hợp trong quá trình tính toán cấp phối Các cấp phối bê tông HSC sử dụng nano SiO2 và tro bay được tính toán thiết kế theo phương pháp thể tích tuyệt đối dựa trên lý thuyết tối ưu về độ đặc Với giả thiết tổng thể tích đặc là 1m 3 (bao gồm thể tích không khí)

Phương pháp thể tích tuyệt đối ACI 211.4R-08 và tham khảo TCVN 10306:2014 để thiết kế hỗn bê tông xi măng được tóm tắt qua 11 bước sau:

Bước 1: Lựa chọn độ sụt và cường độ bê tông yêu cầu

Chọn độ sụt gốc trước khi cho phụ gia siêu dẻo vào hỗn hợp bê tông

Bảng 2.9 – Độ sụt của hỗn hợp bê tông có và không có sử dụng phụ gia

Bê tông có dùng phụ gia siêu dẻo (PGSD) Độ sụt trước khi thêm PGSD (2.5÷5.0) cm

Bê tông không dùng phụ gia siêu dẻo Độ sụt (5.0÷10) cm

ACI 318 cho phép những thành phần hỗn hợp bê tông được chọn trên kinh nghiệm thực tế hoặc các mẻ trộn thử trong phòng thí nghiệm Để đạt được cường độ chịu nén đặc trưng của dự án, thì bê tông cần phải được tính toán tỉ lệ sao cho cường độ chịu nén trung bình ngoài thực tế lớn hơn cường độ chịu nén đặc trưng f ’ c bằng một giá trị đủ lớn để xác suất các kết quả không đạt là thấp

Khi không xác định được độ lệch chuẩn thì cường độ chịu nén trung bình yêu cầu được tính theo công thức sau: f ’ cr = 1.1f ’ c + 4.83 (MPa) (2.1)

Trong đó: f ’ cr là cường độ nén trung bình yêu cầu, MPa f ’ c là cường độ chịu nén đặc trưng, MPa

Bước 2: Chọn kích thước Dmax của hạt cốt liệu lớn

Dựa vào cường độ yêu cầu, cỡ hạt lớn nhất danh định tra Bảng 2.10 bên dưới chọn Dmax

Bảng 2.10 – Xác định kích thước D max của hạt cốt liệt lớn

Cường độ bê tông yêu cầu, MPa Kích thước tối đa của cốt liệu thô, mm

Theo ACI 318, kích thước hạt lớn nhất danh định của cốt liệu không nên vượt quá 1/5 kích thước nhỏ nhất của cấu kiện, 1/3 chiều dày tấm và không quá 3/4 khoảng trống nhỏ nhất giữa các thanh cốt thép

Bước 3: Chọn hàm lượng cốt liệu thô tối ưu

Lượng cốt liệu thô tối ưu phụ thuộc vào cường độ, đặc tính, kích thước hạt lớn nhất và mô đun độ lớn của cốt liệu nhỏ Lượng cốt liệu thô tối ưu được lựa chọn từ Bảng 2.9 bên dưới là thể tích cốt liệu thô trên một đơn vị thể tích bê tông

Bảng 2.11 – Xác định thể tích đá được đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tông

Thể tích đá tối ưu cho cỡ hạt danh định lớn nhất với cát sử dụng có mô đun 2.5 ÷ 3.2

Cở hạt danh định lớn nhất (mm) 9.5 12.5 19 25

Thể tích của đá dăm trên 1m 3 bê tông (m 3 ) 0.65 0.68 0.72 0.75 Thể tích lèn chặt của cốt liệu ở trạng thái bão hòa bề mặt khô ứng với khối lượng thể tích đã lèn chặt được thí nghiệm theo ASTM C29

Khối lượng của cốt liệu thô ở trạng thái khô tính cho 1m 3 hỗn hợp bê tông được tính theo công thức 2.2 Đ=ρ đlc  VCA (2.2) ρ đlc : khối lượng thể tích lèn chặt của đá (g/cm 3 );

VCA: thể tích đá lèn chặt (m 3 )

Bước 4: Xác định lượng nước và hàm lượng không khí

Lượng nước của một đơn vị thể tích bê tông được yêu cầu để tạo ra độ sụt đã cho phụ thuộc vào cỡ hạt lớn nhất, hình dạng hạt và cấp phối hạt, lượng xi măng và loại PGSD đã sử dụng Lượng nước dự tính ban đầu được lấy như Bảng 2.12

Bảng 2.12 – Xác định lượng nước ban đầu cho hỗn hợp bê tông Độ sụt (cm)

Lượng nước trộn (l/m 3 ) Kích thước lớn nhất của đá (mm)

Hàm lượng không khí lọt vào (%) 3.0 2.5 2.0 1.0

Giá trị trong bảng đối với cát có độ rỗng khác 35% theo công thức:

𝜌 𝑐𝑙𝑐 : Khối lượng lèn chặt của cát (g/cm 3 );

𝜌 𝑐 : Khối lượng riêng của cát (g/cm 3 )

Bước 5: Lựa chọn lượng N/CKD

Tỷ lệ N/CKD của bê tông có sử dụng PGSD được yêu cầu chọn theo Bảng 2.13

Bảng 2.13 – Xác định tỉ lệ N/CKD cho 1m 3 có sử dụng PGSD

Cường độ yêu cầu f’cr, MPa

Tỷ lệ N/CKD Kích thước cốt liệu thô (mm)

Bước 6: Tính toán hàm lượng chất kết dính

Khối lượng của chất kết dính cho mỗi đơn vị thể tích bê tông (m 3 ) được xác định bằng cách chia lượng nước nhào trộn cho mỗi đơn vị thể tích bê tông cho tỷ lệ N/CKD Lượng chất kết dính là tổng khối lượng của xi măng và các thành phần phụ gia khoáng (FA và NS) Với tỷ lệ N/CKD được chọn ở trên và lượng nước N; lượng chất kết dính cho 1m 3 bê tông được tính như sau:

Bước 7: Xác định khối lượng Xi măng (X), Tro bay (FA) và nano SiO2 (NS) cho 1m 3 bê tông

- Trường hợp 1: Không sử dụng NS chất kết dính bao gồm X và FA;

- Trường hợp 2: Sử dụng NS chất kết dính bao gồm X, NS và FA Các tỷ lệ của NS và FA được thêm vào trong hỗn hợp bê tông xi măng được tham khảo các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

Bước 8: Xác định khối lượng cốt liệu nhỏ Cát (C)

- Trường hợp 1: Không dùng NS và FA tỷ lệ 30%

Lượng cát C = [1000 –  X x –  Đ đ – FA  fa – N – Vkk] x c (kg) (2.8)

- Trường hợp 2: Sử dụng NS tỷ lê (0.5÷1.5)% và FA tỷ lệ 30%

–  NS ns – N – Vkk] x c (kg) (2.9) Trong đó:

- X, N, C, Đ, NS, FA: Là khối lượng xi măng, nước, cát, đá, nano SiO2 và tro bay tính cho một mét khối bê tông xi măng;

- x, c, đ, ns, fa : Là khối lượng riêng xi măng, cát, đá, nano SiO2 và Silica Fume

- VKK: Thể tích không khí lọt vào trong bê tông

Bước 9: Chọn tỉ lệ phụ gia siêu dẻo

Cần sử dụng phụ gia siêu dẻo trong bê tông Khi dùng phụ gia siêu dẻo thì lượng nước có thể giảm từ 8÷15% Có thể sử dụng phụ gia siêu dẻo vào hỗn hợp mà không cần điều chỉnh các tỉ lệ hỗn hợp để cải thiện tính công tác của bê tông Liều lượng sử dụng phụ gia siêu dẻo thông qua các khuyến cáo của các nhà sản xuất và các thí nghiệm Thường từ 0.50÷2.0 lít/100 kg xi măng và có thể nhiều hơn tùy theo yêu cầu về độ sụt và đặc tính của kết cấu

Bước 10: Các mẻ trộn thử Đồi với hỗn hợp thử được chọn tỷ lệ thành phần trong các bước tính toán lựa chọn ở trên, một mẻ trộn thử được chế tạo để xác định tính công và cường độ đặc trưng Khối lượng của cát, đá, nước và PGSD phải được điều chỉnh cho chính xác với độ ẩm của cốt liệu Với một mẻ trộn nên chọn sao cho sau khi nhào trộn đềuu đạt hỗn hợp đồng nhất, tình công tác và cường độ yêu cầu sau 28 ngày

Bước 11: Lựa chọn các tỷ lệ trộn tối ưu

Khi các tỷ lệ vật liệu thành phần đã được điều chỉnh để tạo ra khả năng làm việc mong muốn và các đặc tính về cường độ nên được lấy từ các mẻ trộn thử nghiệm tiến hành gần giống với điều kiện thực tế theo các bước quy định Các thí nghiệm cường độ cần được chế tạo từ các mẻ trộn thử có điều kiện giống như ở hiện trường theo các yêu cầu của ACI 318 Việc chuẩn bị các mẻ trộ và mẫu thử sẽ được đánh giá tốt hơn khi mà kích cỡ mẻ trộn thử với thiết bị, quy định như trong điều kiện thực tế sẽ áp dụng

2.2.2 Tính toán thiết kế thành phần bê tông HSC sử dụng NS và FA

Dựa vào các yếu tố phân tích trên, tác giả chọn loại bê tông HSC với cường độ đặc trưng 60MPa để tiến hành thiết kế thành phần và thí nghiệm

Bê tông HSC với cường độ đặc trưng 60MPa được tính toán thiết kế dựa theo phương pháp ACI và tham khảo TCVN 10306:2014 Các cấp phối sử dụng NS với các tỷ lệ khác nhau, cụ thể là 0%; 0.5%; 1.0% và 1.5% với hàm lượng FA cố định 30% trên tổng lượng chất kết dính Tỷ lệ phụ gia siêu dẻo được điều chỉnh theo thực tế để đảm bảo tính công tác của hỗn hợp bê tông (thể hiện Phụ lục A) Kết quả tính toán thành phần cấp phối HSC sử dụng NS và FA được thể hiện trong Bảng 2.14

Bảng 2.14 – Kết quả tính toán thành phần bê tông HSC 60MPa sử dụng NS và FA

Vật liệu thành phần cho 1m 3 bê tông HSC Cement

Nước (lít) N/CKD NS0 338.34 700.54 1046.5 145.00 - 4.06 154.67 0.32 NS0.5 335.92 699.68 1046.5 145.00 2.42 4.54 154.67 0.32 NS1.0 333.51 698.85 1046.5 145.00 4.83 5.10 154.67 0.32 NS1.5 331.09 698.00 1046.5 145.00 7.25 5.63 154.67 0.32

Ghi chú: Cement – Xi măng; FA – Tro bay; NS – nano SiO 2 ; PGSD – Phụ gia siêu dẻo; N/CKD – Nước/chất kết dính

Kết luận chương 2 32

Nghiên cứu về BTXM có thành phần NS đã được rất nhiều tác giả nghiên cứu, nhưng nhìn chung các tác giả chỉ thực nghiệm các chỉ tiêu về độ bền của hỗn hợp bê tông thông thường Ngoài ra khi sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA trong thiết kế thành phần bê tông HSC còn rất ít các nhà nghiên cứu chuyên sâu làm rõ giá trị về tính chất cơ lý của bê tông

HSC Trên cơ sở bảng cấp phối sẽ được triển khai thí nghiệm làm rõ vấn đề về các chỉ tiêu cơ lý khi sử dụng hàm lượng NS từ 0.5%, 1.0% và 1.5% với hàm lượng FA là 30% tỷ lệ nước trên chất kết dính được giữ ở mức 0.32 cho tất cả các hỗn hợp trong thành phần của bê tông HSC Nghiên cứu chương này là tiền đề phụ vụ công tác thí nghiện chương 3, với mong muốn tạo ra sản phẩm bê tông HSC thân thiện với môi trường, phục vụ các công trình xây dựng nói chung và công trình mặt đường ô tô cấp cao nói riêng.

34

Thí nghiệm một số chỉ tiêu của bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA 34

Thí nghiệm tập trung xác định một số tính chất cơ học chủ yếu như: cường độ nén, cường độ kéo khi uốn, độ mài mòn và mô đun đàn hồi của bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA

Tổ hợp lấy giá trị trung bình của 3 mẫu để xác định một số chỉ tiêu của bê tông HSC cho mỗi ngày tuổi Mỗi cấp phối có 30 mẫu bao gồm: Xác định giá trị cường độ nén (Rn) có

12 mẫu hình trụ (15x30)cm, giá trị cường độ kéo uốn (Rku) có 12 mẫu dầm (15x15x60)cm ở tuổi 3, 7, 28 và 56 ngày, 03 mẫu hình trụ (15x30)cm để xác định mô đun đàn hồi nén tĩnh (Eđh) ở tuổi 28 ngày (Hình 3.1), 03 mẫu hình lập phương (7.07x7.07x7.07)mm để xác định độ mài mòn ở tuổi 28 ngày (Hình 3.2)

Tổng cộng 4 tổ hợp cho tất cả 120 mẫu bê tông HSC các loại được chế tạo, bảo dưỡng trong điều kiện và được thử kiệm tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM – Phòng thí nghiệm Vật liệu Xây dựng LAS-XD 238 (Hình 3.3)

Hình 3.2 – Chuẩn bị mẫu mài mòn

Hình 3.3 – Chuẩn bị mẻ trộn

3.1.2 Trình tự trộn hỗn hợp bê tông HSC sử dụng phụ gia nano SiO 2 và tro bay

Diện tích bề mặt đặc trưng của các hạt NS rất cao cùng với các tính chất đặc biệt của các hạt silica ở kích thước nanomet làm cho việc phân tán NS trở nên khó khăn hơn Do đó, các phương pháp phân tán đặc biệt như trôn bằng các thiết bị song siêu âm thanh có thể được yêu cầu sẽ làm tăng đáng kể chi phí chế tạo bê tông Để đảm bảo các mẻ trộn có thành phần vật liệu đồng nhất của các hạt NS phân tán trong bê tông HSC với mức độ ổn định cao, nhóm tác giả nghiên cứu và đề xuất trình tự trôn trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu trước và kinh nghiệm đút kết từ quá trình trộn thử của máy trộn cưỡng bức dung tích trộn 60 lít trình tự như sau (Hình 3.4 và Hình 3.5):

- Bước 1: NS được hòa với 50% lượng nước cần thiết, máy khuấy tốc độ cao để hạt

NS phân tán đồng đều trong 1 phút;

- Bước 2: Cho hỗn hợp cát, đá, xi măng và tro bay trộn trong 3 phút;

- Bước 3: Cho 20% lượng nước them vào hỗn hợp cát, đá, xi măng và tro bay trộn trong 1 phút;

- Bước 4: Cho hỗn hợp NS của Bước 1 vào hỗn hợp trộn 2 phút;

- Bước 5: Khuấy đều 20% lượng nước và PGSD, sau đó thêm vào hỗn hợp với 10% lượng nước còn lại có tác dụng điều chỉnh sẽ được them vào trộn trong 3 phút cho đến khi hỗn hợp bê tông HSC đồng nhất;

- Bước 6: Nghỉ máy trộn trong vòng 1 phút để chất PGSD phản ứng nhằm giúp đạt hiệu quả độ lưu động của bê tông HSC tốt hơn;

- Bước 7: Trộn lại trong 1 phút để tránh mất độ sụt và đảm bảo tính đồng nhất của hỗn hợp bê tông HSC

Hình 3.4 – Thiết bị khuấy trộn NS Hình 3.5 – Sơ đồ trộn hỗn hợp bê tông

HSC sử dụng NS và FA

3.1.3 Kiểm tra độ sụt, đúc mẫu và bảo dưỡng mẫu bê tông HSC Độ sụt của hỗn hợp bê tông HSC được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM C143 và tham khảo TCVN 3016:1993 a) Thiết bị kiểm tra độ sụt (Hình 3.6 và Hình 3.7)

- Dụng cụ đo độ sụt là côn Abrams hình nón cụt có kích thước (200x100x300)mm, đáy và miệng hở;

- Que đầm hình tròn có đường kính 16mm, dài 600mm;

- Phễu đổ hỗn hợp bê tông;

- Thước đo độ sụt chuyên dụng b) Đúc mẫu bê tông HSC (Hình 3.7)

Việc đúc mẫu thực hiện theo TCVN 3105:1993 Vì độ sụt thiết kế từ (2-÷5)cm nên việc đúc mẫu được tiến hành như sau:

- Trước khi đúc các khuôn phải được quét một lớp dầu mở để tiện cho việc tháo khuôn;

+ Mẫu hình trụ có kích thước: (15x30)cm;

+ Mẫu dầm có kích thước: (15x60)cm;

+ Mẫu hình lập phương có kích thước: (7.07x7.07x7.07)cm

- Máy đầm rung tầng số (2800÷3000) vòng/phút, biên độ (0.3÷0.50)mm rồi rung cho tới khi thoát hết bọt khí lớn và hồ xi măng nổi đều Sau cùng dùng bay gạt bỏ hỗn hợp thừa và xoa phẳng bề mặt của mẫu

Hình 3.6 – Dụng cụ kiểm tra độ sụt của bê tông

Hình 3.7 – Kiểm tra độ sụt và đúc mẫu của hỗn hợp bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA

* Nhận xét: Hỗn hợp bê tông HSC giảm giá trị độ sụt khi khối lượng của các hạt NS tăng Sự gia tăng khối lượng các hạt nano SiO2 có ảnh hưởng trực tiếp đến lượng nước cần thiết trong hỗn hợp bê tông tươi do đó kích thước cực mịn của NS [70] Phản ứng này nói lên một thực tế rằng việc bổ sung những hạt có tỉ diện tích bề mặt cao vào hỗn hợp bê tông sẽ cần giảm lượng nươc nhiều hơn để duy trì độ sụt mong muốn của hỗn hợp Đối với bê tông HSC có giá trị độ sụt thấp hơn so với yêu cầu thiết kế trong phạm vi của nghiên cứu đã bổ sung thêm PGSD (Chương 2 - Bảng 2.12) Do đó, tăng độ dẻo của hỗn hợp bê tông HSC có chứa NS và tro bay thì việc sử dụng PGSD là cần thiết c) Bảo dưỡng mẫu bê tông HSC

Sau khi đúc xong, các khuôn mẫu được phủ ẩm ở nhiệt độ phong phòng và sau 16÷24 giờ tiến hành tháo khuôn rồi bảo dưỡng tiếp trong bể dưỡng hộ ở nhiệt độ 27±2 0 C cho đến ngày thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý Mẫu được vớt ra khỏi bể một ngày trước lúc thí nghiệm, phải được để trong phòng đảm bảo nhiệt độ và độ ẩm.

Thí nghiệm xác định cường độ của bê tông HSC 36

3.2.1 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén R n của bê tông HSC

Kết quả thí nghiệm cường độ nén được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM C39 và tham khảo TCVN 3118:1993 (thể hiện Phụ lục B) theo Hình 3.8 và Hình 3.9

Hình 3.8 – Thí nghiệm cường độ chịu nén R n của bê tông HSC sử dụng NS và FA

Hình 3.9 – Ảnh hưởng của NS đến cường độ chịu nén bê tông HSC

* Nhận xét: Đối với mức ngày tuổi khác nhau, cường độ chịu nén tăng dần khi tỷ lệ NS sử dụng ≤ 1.0% Tuy nhiên, khi tỉ lệ NS tăng lên 1.5% thì cường độ tăng lên không đáng kể và có xu hướng giảm so với tỉ lệ 1.0% Nguyên nhân có thể kể đến là do các hạt NS phân tán không đều khi tỷ lệ NS vượt quá ngưỡng 1.0%, vấn đề này khó tránh khỏi khi hỗn hợp bê tông HSC được trộn bằng máy trộn cưỡng bức thông thường Các hạt NS dư thừa không được phân tán điều và tạo thành vùng yếu trong cấu trúc bê tông, nhận định này xảy ra tương tự như các nhà nghiên cứu trước đây [16][60]

Mặc khác, cường độ chịu nén của bê tông HSC ở 3 và 7 ngày tuổi chịu sự ảnh hưởng của

NS lớn hơn so với 28 và 56 ngày tuổi Điều này có thể quan sát qua biểu đồ Hình 3.9 Cụ thể giai đoạn 3 ngày tuổi cường độ chịu nén sử dụng 1.0%NS cao hơn 0%NS là 15.85%, ở giai đoạn 7, 28 và 56 ngày tuổi mức tăng là 11.11%, 12.43% và 12.07% Kết quả này cho thấy NS giúp phát triển cường độ ở giai đoạn tuổi sớm và FA giúp phát triển cường độ ở tuổi 28 và 56 ngày Sự phát triển cường độ nén có thể do khả năng kích hoạt các phản ứng pozzolan của các hạt NS tăng tốc sự hình thành các gel C-S-H

3.2.2 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn R ku của bê tông HSC

Kết quả thí nghiệm cường độ nén được thực hiện theo tiêu cuản ASTM C79 và tham khảo TCVN 3119:1993 (thể hiện Phụ lục B) theo Hình 3.10 và Hình 3.11

Hình 3.10 – Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông HSC sử dụng NS và FA

Cư ờn g dộ c hịu n én Rn (M P a)

Hình 3.11 – Ảnh hưởng của NS đến cường độ chịu kéo khi uốn R ku bê tông HSC

* Nhận xét: Cường độ kéo khi uốn của bê tông HSC khi sử dụng NS cải thiện đáng kể khi thêm mức tỷ lệ NS 0.5÷1.5% và đạt giá trị cao nhất ở tỉ lệ 1.0%NS Cụ thể cường độ kéo khi uốn của bê tông HSC sử dụng 1.0%NS tăng lên so với mẫu đối chứng 0%NS và thay đổi theo các ngày tuổi: 9.23%, 20.08%, 17.29% và 13.17% tương tự như cường độ nén ở giai đoạn 7 ngày và 28 ngày thì giá trị tăng lên nhiều khi sử dụng NS so với mẫu đối chứng Kết quả nghiên cứu đã minh chứng hiệu quả mang lại đối với cường độ kéo khi uốn từ việc sử dụng NS và tro bay trong bê tông HSC tương tự như các nghiên cứu trước [16][66] Những ảnh hưởng làm giảm giá trị cường độ khi sử dụng tỉ lệ NS vượt quá mức tồi ưu cũng được các tác giả trên đề cập trong nghiên cứu

3.2.3 Khả năng chống mài mòn của bê tông HSC sử dụng NS và FA

Khả năng chống mài mòn của bê tông xi măng khi làm lớp mặt đường ô tô là một trong các yếu tố quan trọng, là khả năng của vật liệu chịu tác dụng của lực ma sát Khả năng chịu mài mòn của bê tông phụ thuộc vào hai yếu tố là cường độ chịu nén và độ cứng của cốt liệu Độ mài mòn là tổn thất khối lượng khi bị mài mòn trên diện tích bề mặt mẫu, được thí nghiệm theo TCVN 3114:1993 và tham khảo tiêu chuẩn ASTM C944 (thể hiện Phụ lục B) theo Hình 3.12 và Hình 3.13

Hình 3.12 – Thí nghiệm độ mài mòn của bê tông HSC

C ườ ng đ ộ ké o kh i u ốn R ku ( MP a)

Hình 3.13 – Biểu đồ độ mài mòn của bê tông HSC ở 28 ngày tuổi

* Nhận xét: Kết quả thí nghiệm độ mài mòn Hình 3.13 Cho thấy, khi sử dụng NS mức tỷ lệ NS 0.5÷1.5% thì khả năng chống mài mòn cao hơn và độ mài mòn thấp hơn so với bê tông HSC 0%NS Cụ thể khả năng chống mài mòn của bê tông HSC 1.0%NS khả năng mài mòn thấp nhất so với 0%NS, 0.5%NS và 1.5%NS ở tuổi 28 ngày lần lượt là: 19.08%, 10.14% và 4.88%

3.2.4 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn của bê tông HSC sử dụng NS và FA

Mô đun đàn hồi (Eđh) sử dụng phụ gia nano SiO2 và tro bay là một trị số quan trọng trong tính toán biến dạng của bê tông xi măng Eđh phụ thuộc chủ yếu và tính chất đàn hồi của cốt liệu, của đá xi măng và các thành phần khác trong bê tông xi măng, tỷ lệ N/X giảm (độ đặc chắc của bê tông xi măng tăng lên) Thí nghiệm Eđh sử dụng phụ gia NS và FA ở tuổi 28 ngày được thí nghiệm theo ASTM C469 (thể hiện Phụ lục B) theo Hình 3.14 và Hình 3.15

Hình 3.14 – Lắp đặt thiết bị và thí nghiệm E đh của bê tông HSC

Hình 3.15 – Biểu đồ E đh của bê tông HSC ở 28 ngày tuổi

NS0 NS0.5 NS1.0 NS1.5 Độ m ài m òn (Kg /m 2)

* Nhận xét: Kết quả thí nghiệm Eđh Hình 3.15 Cho thấy, khi sử dụng NS mức tỷ lệ NS 0.5÷1.5% thì giá trị cường độ cao hơn so với bê tông HSC 0%NS Theo một số tác giả Quercia [29], Sobolev và công sự [44] nguyên nhân làm gia tăng giá trị Eđh của bê tông sử dụng NS chủ yếu là do chất lượng vùng chuyển tiếp và các sản phẩm gel C-S-H được cải thiện Tỉ lệ Eđh sử dụng 1.0%NS giúp bê tông HSC cải thiện mô đun đàn hồi tốt nhất so với 0%NS, 0.5%NS và 1.5%NS ở tuổi 28 ngày lần lượt là: 5.90%, 3.40% và 0.68%

3.2.5 Thiết lập mối tương quan từ tính chất cơ học của bê tông HSC sử dụng NS

Từ các kết quả nghiên cứu các tính chất của bê tông HSC khi sử dụng phụ gia NS thiết lập các mối quan hệ như sau:

Quan giữa cường độ chịu nén Rn và kéo khi uốn Rku theo Hình 3.16:

Hình 3.16 – Biểu đồ quan hệ R ku và R n

Quan giữa cường độ chịu nén Rn và mô đun đàn hồi Eđh theo Hình 3.17:

Hình 3.17 – Biểu đồ quan hệ E đh và R n

* Nhận xét: Từ các phương trình tương quan (3.1) và (3.2) cho thấy việc sử dụng phụ gia NS tỷ lệ thuận với các tính chất Rn, Rku, Eđh của bê tông HSC (các phương trình tương quan có độ tin cậy cao R 2 lớn) Nghĩa là, khi sử dụng phụ gia NS thì tính chất cơ học của bê tông HSC tốt hơn khi không có sử dụng phụ gia NS y = 0.0159x 1.4207 R² = 0.9592

Kết luận chương 3 41

Nghiên cứu trong này nhằm góp phần tạo ra sản phẩm bê tông HSC sử dụng phụ gia nano SiO2 và tro bay thân thiện với môi trường, phục vụ các công trình xây dựng nói chung và công trình mặt đường ô tô cấp cao nói riêng Từ kết quả trên, một số kết luận được tổng hợp:

- Cường độ nén Rn của bê tông HSC ở 3 và 7 ngày tuổi chịu sự ảnh hưởng của NS lớn hơn so với 28 và 56 ngày tuổi Cụ thể, giai đoạn 3 ngày tuổi cường độ chịu nén sử dụng 1.0%NS cao hơn 0%NS là 15.85%, ở giai đoạn 7, 28 và 56 ngày tuổi mức tăng là 11.11%, 12.43% và 12.07%

- Cường độ kéo khi uốn Rku của bê tông HSC khi sử dụng NS cải thiện đáng kể khi thêm mức tỷ lệ NS 0.5÷1.5% và đạt giá trị cao nhất ở tỉ lệ 1.0%NS Cụ thể cường độ kéo khi uốn của bê tông HSC sử dụng 1.0%NS tăng lên so với mẫu đối chứng 0%NS và thay đổi theo các ngày tuổi: 9.23%, 20.08%, 17.29% và 13.17% tương tự như cường độ nén ở giai đoạn 7 ngày và 28 ngày thì giá trị tăng lên nhiều khi sử dụng NS so với mẫu đối chứng

- Kết quả này cho thấy, khi sử dụng NS và FA trong bê tông HSC giúp phát triển cường độ Cụ thể, NS giúp phát triển ở giai đoạn tuổi sớm và FA giúp cải thiện sự phát triển ở giai đoạn 28 và 56 ngày tuổi Sự phát triển cường độ có thể do khả năng kích hoạt các phản ứng pozzolan của các hạt NS tăng tốc sự hình thành các gel C-S-H

- Nhóm tác giả đề xuất mức tỉ lệ phụ gia kết hợp 1.0%NS + 30%FA đáp ứng các thông số yêu cầu về vật liệu trong việc thiết kế kết cấu mặt đường ô tô cấp cao khu vực Miền Nam.

42

Khái quát về quy hoạch mạng lưới giao thông đường bộ 42

Theo Quyết định số 1454/QĐ-TTg ngày 01/09/2021 “Phê duyệt quy hoạch mạng lưới giao thông đường bộ thời kỳ 2021–2030, tầm nhìn đến năm 2050” với những nội dung như sau:

4.1.1 Quan điểm và mục tiêu

- Kết cấu hạ tầng đường bộ đóng vai trò quan trọng trong kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội được xác định là một trong ba khâu đột phá chiến lược cần ưu tiên đầu tư đồng bộ, hiện đại, tạo tiền đề phát triển kinh tế - xã hội, gắn với bảo đảm quốc phòng an ninh, an sinh xã hội, thích ứng với biến đổi khí hậu và phát triển bền vững

- Phát triển kết cấu hạ tầng đường bộ từng bước đồng bộ, hiện đại, bảo đảm an toàn; kết nối hiệu quả giữa các loại hình giao thông và giữa hệ thống đường bộ quốc gia với hệ thống đường địa phương; kết nối vùng, miền, các đầu mối vận tải và quốc tế; phát huy thế mạnh là phương thức linh hoạt, hiệu quả đối với cự ly ngắn và trung bình, hỗ trợ gom và giải tỏa hàng hóa, hành khách cho các phương thức vận tải khác

- Hệ thống kết cấu hạ tầng đường bộ được quy hoạch bảo đảm cân đối hài hòa, hợp lý về địa lý, dân số, quy mô kinh tế, nhu cầu phát triển vùng, miền và hiệu quả đầu tư; phù hợp với các quy hoạch và định hướng quy hoạch khác bảo đảm tầm nhìn dài hạn; tạo không gian đô thị mới để phát triển kinh tế cho các địa phương, khai thác có hiệu quả nguồn lực quỹ đất

- Huy động mọi nguồn lực để đầu tư phát triển hệ thống kết cấu hạ tầng đường bộ, đặc biệt là đường bộ cao tốc; đẩy mạnh hình thức hợp tác công tư, trong đó vốn nhà nước đóng vai trò hỗ trợ, dẫn dắt để thu hút tối đa nguồn lực từ các thành phần kinh tế khác; thể chế hóa các giải pháp về phân cấp, phân quyền trong việc huy động nguồn lực, tổ chức thực hiện cho các địa phương

- Chủ động tiếp cận, đẩy mạnh ứng dụng khoa học công nghệ hiện đại, đặc biệt là các thành tựu của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư trong xây dựng, quản lý, khai thác nhằm hạn chế ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng, sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên thiên nhiên

* Mục tiêu đến năm 2030: Phát triển mạng lưới giao thông đường bộ từng bước đồng bộ, một số công trình hiện đại, chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội và bảo đảm quốc phòng an ninh, nâng cao năng lực cạnh tranh của nền kinh tế, kiềm chế tiến tới giảm dần tai nạn giao thông và hạn chế ô nhiễm môi trường, hình thành hệ thống giao thông vận tải hợp lý giữa các phương thức vận tải, góp phần đưa nước ta cơ bản trở thành nước đang phát triển có công nghiệp hiện đại, thu nhập trung bình cao vào năm 2030 với một số mục tiêu cụ thể như sau:

- Về vận tải, khối lượng vận chuyển hàng hóa đạt khoảng 2.764 triệu tấn (62.80% thị phần); hành khách đạt khoảng 9.430 triệu khách (90.16% thị phần); khối lượng luân chuyển hàng hóa nội địa đạt khoảng 162.7 tỷ tấn.km (30.48% thị phần); hành khách nội địa 283.6 tỷ khách.km dạt khoảng (72.83% thị phần)

- Về kết cấu hạ tầng, hình thành hệ thống đường cao tốc kết nối các trung tâm kinh tế, chính trị, các vùng kinh tế trọng điểm, cảng biển và cảng hàng không cửa ngõ quốc tế; từng bước nâng cấp các quốc lộ, cụ thể:

+ Cơ bản hoàn thành các tuyến cao tốc kết nối liên vùng, kết nối các cảng biển cửa ngõ quốc tế, cảng hàng không quốc tế, các cửa khẩu quốc tế chính có nhu cầu xuất nhập khẩu hàng hóa lớn, các đô thị loại đặc biệt, loại I; kết nối thuận lợi các tuyến quốc lộ đến các cảng biển loại II, cảng hàng không quốc tế, cảng đường thủy nội địa lớn, các ga đường sắt đầu mối, đầu mối giao thông đô thị loại II trở xuống Phấn đấu xây dựng hoàn thành khoảng 5.000 km đường bộ cao tốc

+ Tập trung nâng cấp mặt đường, tăng cường hệ thống an toàn giao thông, xử lý các điểm đen, cải tạo nâng cấp các cầu yếu trên các quốc lộ và nâng cấp một số tuyến quốc lộ trọng yếu kết nối tới các đầu mối vận tải lớn (cảng biển, cảng đường thủy nội địa, cảng hàng không, các ga đường sắt) chưa có tuyến cao tốc song hành

* Định hướng đến năm 2050: Hoàn thiện mạng lưới đường bộ trong cả nước đồng bộ, hiện đại, bảo đảm sự kết nối và phát triển hợp lý giữa các phương thức vận tải Chất lượng vận tải và dịch vụ được nâng cao, bảo đảm thuận tiện, an toàn, chi phí hợp lý

4.1.2 Quy hoạch mạng lưới giao thông đường bộ khu vực Miền Nam

Trong phần này tác giả tổng hợp danh mục một số tuyến đường bộ cao tốc khu vực phía Nam, gồm 10 tuyến, chiều dài khoảng 1.290 km, quy mô từ 4 đến 10 làn xe cụ thể được trình bày Bảng 4.1

Bảng 4.1 – Các tuyến đường cao tốc khu vực phía Nam

Các đoạn tuyến Điểm đầu Điểm cuối

Chiều dài dự kiến (km)

Tiến trình đầu tư Trước

Cao tốc Tp.HCM – Long Thành – Dầu Giây

Tp Bảo Lộc, Lâm Đồng

Tp Bảo Lộc – Lâm Đồng Đức Trọng , Lâm Đồng

Liên Khương - Prenn Đức Trọng – Lâm Đồng

Chân đèo Prenn, Đức Trọng, Lâm Đồng

Thành phố Biên Hòa Đường cao tốc Tp

HCM, Long Thành, Dầu Giây, Đồng Nai

Cao tốc Tp.HCM – Long Thành – Dầu Giây Đường cao tốc Bến Lức – Long Thành, Đồng Nai

Tân Hiệp – Tp Bà Rịa Đường cao tốc Bến Lức – Long Thành, Đồng Nai

Thành phố HCM – Long Thành

HCM Đường cao tốc Biên Hòa – Vũng Tàu

Long Thành – nút giao cao tốc Bắc – Nam phía Đông Đường cao tốc Biên Hòa

- Vũng Tàu Đường cao tốc Bắc – Nam phía Đông Đi trùng cao tốc Bắc – Nam phía Đông

Nút giao cao tốc Bắc – Nam phía Đông – Dầu Giây (Đồng Nai) Đường cao tốc Bắc – Nam phía Đông, Đồng Nai

Tp.HCM – Chơn Thành (Bình Phước)

Chơn Thành – Hoa Lư (Bình Phước)

Cửa khẩu Hoa Lư, Bình Phước

Tp.HCM – Mộc Bài (Tây Ninh)

Cửa khẩu Mộc Bài, Tây Ninh

Xa Mát (Tây Ninh) Đường cao tốc Tp.HCM – Mộc Bài, Tây Ninh

Tp.HCM Tiền Giang – Bến Tre – Trà Vinh – Sóc Trăng

Tp.Châu Đốc, An Giang

Quốc lộ Nam Sông Hậu, Sóc Trăng

Hà Tiên – Rạch Giá (Kiên Giang)

Cửa khẩu Hà Tiên, Kiên Giang

Thành phố Gạch Giá, Kiên Giang

Rạch Giá (Kiên Giang) – Bạc Liêu

Tp.Gạch Giá, Kiên Giang

Cửa khẩu Dinh Bà (Đồng Tháp) – Cao Lãnh

Cửa khẩu Dinh Bà, Đồng Tháp

Thành phố Cao Lãnh, Đồng Tháp

Thành phố Cao Lãnh, Đồng Tháp Đường cao tốc Bắc – Nam phía Đông

An Hữu (Tiền Giang) – Trà Vinh Đường cao tốc Bắc – Nam phía Đông

Các yêu cầu chung về kết cấu mặt đường bê tông xi măng 46

Mặt đường BTXM là loại mặt đường cứng, cấp cao thường được dùng làm mặt đường trong sân bay và trên các trục đường ô tô có nhiều xe tải nặng, áp suất bánh xe lên mặt đường từ (0.5 ÷ 0.7) MPa, mật độ xe lớn và tốc độ xe chạy cao [8][13]

Trong quá trình phát triển với sự xuất hiện của nhiều vật liệu mới và công nghệ thi công liên tục được cải tiến đã thúc đẩy sự ra đời của nhiều loại mặt đường BTXM khác nhau Theo các tài liệu [7][8][12][13] thì mặt đường BTXM gồm các loại kết cấu chính: mặt đường BTXM thông thường; mặt đường BTXM cốt thép có khe nối; mặt đường BTXM lưới thép và mặt đường BTXM lưới thép liên tục

Hiện nay ở nước ta chưa có TCVN chính thức nên việc thiết kế mặt đường BTXM được thực hiện theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT [2]; Thi công và nghiệm thu theo Quyết định số 1951/QĐ-BGTVT [1] do Bộ GTVT ban hành.

Phân tích khả năng ứng dụng bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA làm mặt đường ô tô 46

Tải trọng tác động xe chạy gây nên ứng suất kéo nguy hiểm trong bê tông, gây ra lực xung kích bề mặt đường Bên cạnh đó, sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của môi trường làm xuất hiện biến dạng nhiệt, biến dạng co ngót và ứng suất trong bê tông Để chịu được các tác động trên mà không bị phá hỏng thì bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA có đủ cường độ cần thiết, khả năng chống mài mòn và đủ độ nhám…

4.3.1 Khả năng đáp ứng về cường độ

Cường độ là đặc tính quan trọng nhất của bê tông mặt đường và được đánh giá bằng các chỉ tiêu về cường độ chịu kéo khi uốn, chịu nén và mô đun đàn hồi

4.3.1.1 Cường độ chịu kéo uốn của bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA

Mặt đường bê tông làm việc chủ yếu là chịu uốn nên chỉ tiêu về cường độ chịu kéo uốn của vật liệu là chỉ tiêu quan trọng nhất đảm bảo khả năng chịu lực do tác động của tải trọng xe chạy, nhiệt độ và môi trường Với các kết quả đã thí nghiệm đã thu được (Bảng 4.2), cường độ chịu kéo uốn (Rku) của bê tông HSC cấp C60 sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA có giá trị từ 6.84 ÷ 8.27 MPa So sánh với các quy định kỹ thuật về thiết kế và thi công mặt đường BTXM [1][2] thì đáp ứng yêu cầu làm mặt đường cấp cao

4.3.1.2 Cường độ chịu nén của bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA

Trong các quy định thiết kế mặt đường BTXM cường độ chịu nén nhằm đảm bảo độ ổn định chống mài mòn của mặt đường Bê tông có cường độ nén cao sẽ đảm bảo được điều kiện ổn định chống mài mòn trong điều kiện khai thác bình thường Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén Rn của bê tông HSC cấp C60 sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA phạm vi đề tài nghiên cứu giá trị cường độ chịu nén từ (71.15÷81.25) MPa, được tổng hợp (Bảng 4.2)

4.3.1.3 Mô đun đàn hồi của bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA

Mô đun đàn hồi là một đặc tính quan trọng, biểu hiện trực tiếp về độ cứng của kết cấu mặt đường BTXM Mô đun đàn hồi càng lớn thì độ cứng của mặt đường càng cao và càng ít bị biến dạng Trong quy định thiết kế mặt đường BTXM [2], mô đun đàn hồi được sử dụng trực tiếp trong tính ứng suất kéo uốn do tác dụng của tải trọng trục đơn thiết kế và ứng suất kéo uốn do gradient nhiệt độ gây ra Mô đun đàn hồi của bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA chịu ảnh hưởng bởi các thành phần vật liệu và tỷ lệ phối hợp thành phần vật liệu Trong đó tính chất của cốt liệu thô có ảnh hưởng rất lớn đến mô đun đàn hồi Cốt liệu thô có mô đun đàn hồi lớn thì mô đun đàn hồi của bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA càng cao Hình dạng và bề mặt của cốt liệu lớn cũng có ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi Khi tỷ lệ N/X giảm thì mô đun đàn hồi tăng; bê tông càng đặc chắc thì mô đun đàn hồi càng lớn Do đó nếu so sánh cùng cấp độ cường độ nén, thì bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA cho giá trị mô đun đàn hồi cao hơn so với bê tông HSC thông thường bởi vì thành phần phụ gia nano Silica và tro bay làm tăng độ đặc chắc của hỗn hợp Theo kết quả thí nghiệm (Bảng 4.2), mô đun đàn hồi của bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA có giá trị từ 41.5÷44.1 GPa, lớn hơn so với giá trị yêu cầu được nêu trong quy định

4.3.1.4 Độ mài mòn của bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA

Một trong những yêu cầu quan trọng đối với bê tông mặt đường ô tô là phải có khả năng chịu mài mòn cao dưới tác dụng trực tiếp của bánh xe Kết quả thí nghiệm (Bảng 4.2) cho thấy, độ mài mòn của bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA có giá trị từ 0.195÷0.241 g/cm 2 , nhỏ hơn giá trị yêu cầu theo quy định [1]; với tỷ lệ 1.0% phụ gia nano Silica và 30% tro bay (NS1.0%+FA30%) thì khả năng chịu mài mòn tốt nhất Như vậy bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA đáp ứng được khả năng chịu mài mòn cho tất cả các cấp đường

Bảng 4.2 – Đề xuất ứng dụng bê tông HSC 60MPa sử dụng phụ gia NS và FA cho mặt đường cấp cao khu vực Miền Nam

Ký hiệu bê tông HSC cấp C60 Tiêu chí yêu cầu [1][2]

1 Cường độ kéo uốn (MPa) 6.84 8.27 ≥ 5.0

3 Mô đun đàn hồi (GPa) 41.5 44.1 ≥ 31

4 Độ mài mòn Mm (g/cm 2 ) 0.241 0.195 ≤ 0.3

6 Đánh giá Đáp ứng yêu cầu

7 Kiến nghị sử dụng Cấp I, II, III (rất nặng)

4.3.2 Tính công tác của bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA

4.3.2.1 Độ sụt của hỗn hợp bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA

Hỗn hợp bê tông giảm giá trị độ sụt khi khối lượng của các hạt nano SiO2 và tro bay tăng lên Để tăng độ dẻo của hỗn hợp bê tông nano Silica và tro bay thì việc sử dụng phụ gia hóa học Sika Viscocrete 3000 – 20 là cần thiết

Thi công mặt đường BTXM không yêu cầu độ sụt cao, nhưng mặt đường đạt chất lượng tốt nếu thi công hỗn hợp bê tông được đầm nén với độ chặt lớn nhất Muốn đạt được chất lượng tốt nhất thì hỗn hợp bê tông phải có độ linh động phù hợp với khả năng đầm chặt của thiết bị đầm nén theo công nghiệm thi công Kết quả thí nghiệm được tổng hợp Bảng 4.3

Bảng 4.3 – Độ sụt của bê tông xi măng mặt đường ô tô

TT Chỉ tiêu Ký hiệu bê tông HSC cấp C60 Độ sụt yêu cầu

2 Độ sụt sau 60 phút, (mm) 34.0 33.0 20 ÷ 40 (2)

(1) Công nghệ ván khuôn trượt;

(2) Công nghệ thi công đơn giản [1]

Với kết quả thực nghiệm trên, độ sụt của hỗn hợp bê tông HSC sử dụng phụ gia FA là (34.0÷38.0)mm và bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS+FA là (33.0÷36.0)mm Tính linh động của hỗn hợp bê tông HSC, đáp ứng yêu cầu công nghệ thi công đơn giản độ sụt từ (20÷40)mm

4.3.2.2 Thời gian đông kết chất kết dính bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA

Thời gian đông kết chất kết dính có ý nghĩa rất quan trọng trong thi công mặt đường ô tô Kết quả thí nghiệm (Bảng 4.4), thời gian đông kết của chất kết dính (xi măng, NS, FA, Sika Viscocrete 3000 – 20 ) đảm bảo yêu cầu thi công và kéo dài hơn so với chất kết dính chỉ có xi măng Do đó, cho phép kéo dài thêm thời gian vận chuyển, san rải bê tông ngay cả trong điều kiện nhiệt độ cao nhất của khu vực Miền Nam

Theo quy định [1], thời gian dài nhất cho phép từ khi bê tông ra khỏi buồng trộn đến khi rải xong phụ thuộc vào công nghệ rải và nhiệt độ không khí Đặc biệt vào mùa nóng, nhiệt độ không khí trung bình khu vực Miền Nam trong khoảng (30÷37) 0 C, khả năng bê tông bị mất nước do bay hơi là rất lớn nên yêu cầu thời gian vận chuyển tối đa 0.5÷0.75 giờ và đến khi rải xong là 1.0÷1.25 giờ [1] Nếu các trạm trộn bê tông ở xa công trường thi công thì việc vận chuyển bê tông đảm bảo đến đúng thời gian quy định là rất khó khan

Bảng 4.4 – Thời gian đông kết của chất kết dính

TT Chỉ tiêu Ký hiệu bê tông HSC cấp C60 Thời gian yêu cầu [1] NS0%+FA30% NS1.0%+FA30%

1 Thời gian bắt đầu, (phút) 155 150 ≥ 90

2 Thời gian kết thúc, (phút) 375 370 ≤ 600

3 Đánh giá Đáp ứng yêu cầu hơn so với bê tông thông thường

4.3.3 Đề xuất ứng dụng bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA cho cấp đường ô tô khu vực Miền Nam

Từ các kết quả phân tích trên, lợi ích của việc sử dụng phụ gia nano SiO2 và tro bay trong bê tông HSC là cải thiện về cường độ, tính công tác và khả năng chống mài mòn Nhằm tạo ra một loại sản phẩm BTXM phụ vụ cho ngành xây dụng sử dụng nguồn vật liệu phế thải từ nông nghiệp (tro trấu) và ngành công nghiệp (tro bay) Thông số đề xuất được tổng hợp Bảng 4.5

Bảng 4.5 – Đề xuất ứng dụng bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA trong cấp đường khu vực Miền Nam

TT Chỉ tiêu Ký hiệu bê tông HSC cấp C60 Tiêu chí yêu cầu

2 Thời gian đông kết bắt đầu, (phút) 155 150

3 Thời gian đông kết kết thúc, (phút) 375 370

4 Cường độ kéo uốn (MPa) 6.84 8.27 ≥ 5.0

6 Mô đun đàn hồi (GPa) 41.5 44.1 ≥ 31

7 Độ mài mòn Mm (g/cm 2 ) 0.241 0.195 ≤ 0,3

8 Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) 10.10 -6 / 0 C -

9 Kiến nghị sử dụng Đường Cấp III (rất nặng)

Đề xuất các dạng kết cấu mặt đường bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA khu vực Miền Nam 50

Căn cứ vào Bảng 4.5 đề xuất ứng dụng mặt đường bê tông HSC trong cấp đường khu vực Miền Nam như sau:

4.4.1 Các số liệu phục vụ thiết kế

Giả định tuyến đường thiết kế làm mới thuộc khu vực miền Tây Nam Bộ là nơi gần các nguồn vật liệu được sử dụng nghiên cứu và thí nghiệm; Quy mô giao thông cho các cấp đường theo quy định thiết kế [2] (Bảng 4.6) Tải trọng tiêu chuẩn P s = 100 kN; tải trọng lớn nhất P max = 180 kN (quy mô giao thông cấp nặng) và P max = 180 kN (cấp trung bình) Trị số Gradien nhiệt độ lớn nhất Tg = 92 0 C/m Nền đất á sét có mô đun đàn hồi điển hình 40 MPa

Bảng 4.6 – Quy mô giao thông

TT Cấp quy mô giao thông Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy Ne (lần/làn)

4.4.1.2 Dự kiến kết cấu mặt đường bê tông HSC sử dụng phụ gia NS và FA

Theo quy định [2], mô hình kết cấu áo đường gồm 3 lớp Trong đó: Qui mô giao thông mức rất nặng cấp I, II, III (20.10 6 ÷ 1.10 9 (lần/làn))

+ Lớp mặt bằng HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA (NS1.0%FA30%) và (NS0%FA30%) đối chứng, các tính chất đã được thí nghiệm (Bảng 4.5)

+ Lớp móng trên bằng vật liệu cấp phối đá gia cố 3% xi măng có khả năng chống xói, có độ cứng thích hợp, chiều dày 200 mm, mô đun đàn hồi 1000 MPa, hệ số hệ số Poisson b 0.35; lớp ngăn cách láng nhựa dày tối thiểu 10 mm

+ Lớp móng dưới cấp phối đá dăm loại 2 có chiều dày 180 mm, mô đun đàn hồi 300 Mpa + Nền đất á sét có mô đun đàn hồi E0 = 40 MPa

4.4.1.3 Kiểm toán trạng thái làm việc kết cấu mặt đường bê tông HSC sử dụng phụ

Mặt đường BTXM nói chung và bê tông HSC sử dụng phụ gia nano SiO2 và tro bay nói riêng thuộc loại mặt đường cứng, tầng mặt có độ cứng lớn hơn nhiều so với tầng móng và nền đất Dưới tác dụng của tải trọng và gradient nhiệt độ, tấm bê tông xi măng làm việc trạng thái chịu uốn và ở vị trí bất lợi nhất thường ở thớ dưới và vị trí dọc tấm (vào mùa nóng khi có sự chênh lệch nhiệt độ lớn nhất giữa mặt trên và mặt dưới tấm)

Kết cấu tấm mặt đường làm việc theo hai trường hợp

+ Trường hợp 1: Tấm đặt trên lớp móng cấp phối đá đăm gia cố 3% xi măng theo mô hình tấm hai lớp tách rời trên nền đàn hồi nhiều lớp

+ Trường hợp 2: Tấm đặt trên lớp móng trên bằng cấp phối đá dăm theo mô hình tấm một lớp tách rời trên nền đàn hồi

Theo quy định thiết kế QĐ 3230 [2], kết cấu áo đường BTXM thông thường có khe nối được kiểm toán theo hai trạng thái giới hạn:

+ Dưới tác dụng tổng hợp của tải trọng xe chạy và tác dụng lặp đi lặp lại của sự biến đổi gradien nhiệt độ giữa mặt và đáy tấm BTXM, suốt thời hạn phục vụ, tầng mặt BTXM không bị phá hoại (không bị nứt) do mỏi

+ Tầng mặt BTXM không bị nứt dưới tác dụng tổng hợp của một tải trọng trục xe lớn nhất đúng vào lúc xuất hiện gradien nhiệt lớn nhất

[σ m ] – Ứng suất kéo uốn gây mỏi do tác dụng của trục xe tiêu chuẩn (σ pr ) và gradien nhiệt độ (σ tr ) gây ra (gọi là ứng suất gây mỏi), MPa;

[σ p,t_max ] – Ứng suất kéo uốn do tải trọng trục xe nặng nhất (σ pmax ) và do gradien nhiệt độ lớn nhất (σ tmax ) gây ra (gọi là ứng suất max), MPa;

R ku : Cường độ kéo uốn thiết kế của BTXM, MPa; γ r : Hệ số độ tin cậy theo cấp đường

Trình tự thiết kế mặt đường BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume thực hiện như mặt đường BTXM thông thường theo quy định kỹ thuật QĐ 3230 [2] được tóm tắt như sau:

- Bước 1: Nhập số liệu đầu vào

+ Quy mô giao thông: Tải trọng trục tiêu chuẩn (P s ), trục xe lớn nhất (P max ) và số trục xe tiêu chuẩn tích lũy (Ne);

+ Cấp đường: Số làn xe, kết cấu lề đường và hệ số độ tin cậy yêu cầu (γ r );

+ Điều kiện môi trường: Gradient nhiệt độ lớn nhất (Tg) và mô đun đàn hồi (E 0 )

- Bước 2: Dự kiến kết cấu mặt đường BTXM

+ Các lớp móng đường: Chiều dày móc (h i ) và mô đun đàn hồi (E i );

+ Lớp mặt BTXM: Chiều dài (L), bề rộng (B) và chiều dày tấm (h c )

+ Tớnh cơ lý của BTXM: Cường độ kộo uốn (R ku ), mụ đun đàn hồi (Ec), hệ số (à b ) và hệ số (αc)

- Bước 3: Tính mô đun đàn hồi chung giữa lớp nền đất và lớp móng (E t )

- Bước 4: Tính toán độ cứng chung của cà kết cấu (r g )

+ Tính ứng suất do tải trọng trục gây ra: (σpr; σpmax )

+ Tính ứng suất do gradient nhiệt độ gây ra: (σ tr ; σ tmax )

- Bước 5: Tổng hợp bước 3 và bước 4 bắt đầu kiểm toán các điều kiện trạng thái giới thạn: γ r (σ pr + σ tr ) ≤ f r và γ r (σ pmax + σ tmax ) ≤ f r

- Bước 6: Đưa ra phương án lựa chọn

4.4.2 Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp nặng Đường cấp III có quy mô giao thông cấp rất nặng: Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy lớn nhất

Ne = 2.10 9 lần/làn; Tải trọng trục lớn nhất Pmax = 180 kN Trình tự tính toán kết cấu áo đường BTXM được thể hiện (theo Phụ lục C) Kết quả được tổng hợp Bảng 4.7 và Hình 4.1

Bảng 4.7 – Kết quả phân tích bê tông HSC 60MPa sử dụng phụ gia kết hợp NS và

SF cho mặt đường cấp cao khu vực Miền Nam

Chỉ tiêu Chiều dài tấm L(mm)

Loại bê tông xi măng HSC NS0%+FA30% NS1.0%+FA30%

1 Chiều dầy tấm, hc (mm) 280 280 250 250

2 Ứng suất kéo uốn do tải trọng trục tiêu chuẩn (Ps) [σ ps ], (MPa) 1.519 1.519 1.789 1.789

3 Ứng suất kéo uốn do tải trọng xe nặng nhất (Pmax) [σ pm ], (MPa) 2.639 2.639 3.108 3.108

4 Ứng suất kéo uốn gây mỏi do tải trọng xe tiêu chuẩn (Ps) [σ pr ], (MPa) 5.663 5.663 6.670 6.670

5 Ứng suất kéo uốn gây mỏi do tải trọng xe nặng nhất (Pmax) [σ pmax ], (MPa) 2.903 2.903 3.419 3.419

6 Ứng suất kéo uốn lớn nhất do gradien nhiệt độ gây ra trong tấm tại giữa cạnh dọc tấm

7 Ứng suất nhiệt gây mỏi [σ tr ] (MPa) 0.077 0.169 0.291 0.398

10 Cường độ kéo uốn, R ku (MPa) 6.84 8.27

11 Điều kiện kiểm toán [σ m ], [σ p,t_max ] < R ku Đạt Đạt Đạt Đạt

Hình 4.1 – Kết cấu điển hình mặt đường bê tông HSC

- Kích thước tấm bê tông HSC (5000 x 3500) mm và (5200 x 3500) mm thì chiều dầy của tấm NS1.0%+FA30% giảm 30 mm (10.71%) so với tấm bê tông không sử dụng nano SiO2;

- Ứng suất nhiệt gây mỏi [σtr] và kiểm tra trạng thái giới hạn [σ m ], [σ p,t_max ] < R ku của hai loại kết cáo áo đường điều đạt yêu cầu.

Kết luận chương 4 53

- Về mặt cường độ, bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA có cường độ kéo uốn, cường độ nén và mô đun đàn hồi cao hơn so với quy định hiện hành về thiết kế và thi công mặt đường BTXM thông thường theo quy định trong nước;

- Thông qua việc tính toán và kiểm toán kết cấu áo đường, đề xuất chiều dầy và kích thước tấm mặt đường bê tông HSC sử dụng phụ gia FA và bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS+FA có chiều rộng mặt đường bằng 3.5 m cụ thể như sau:

+ Chiều dài tấm bê tông sử dụng phụ gia FA và bê tông sử dụng kết hợp phụ gia NS+FA cho đường giao thông cấp I, II, III có thể lên đến 5.2 m, tăng 13.5% so với mặt đường BTXM thông thường theo QĐ 3230 [2] mặt đường BTXM ở khu vực Miền Nam qui định chiều dài tấm BTXM không nên lớn hơn 4.5m;

+ Chiều dầy tấm bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA giảm 3.0 cm tương ứng với 10.7% so với chiều dầy tấm bê tông HSC không sử dụng phụ gia NS;

- Lợi ích mang lại: tạo ra sản phẩm bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp NS và FA, tận dụng nguồn vật liệu phế thải sản phẩm nông nghiệp là tro trấu và sản phẩm công nghiệp tro bay Thiết nghĩ, giá trị lớn nhất về mặt kinh tế là giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm hiệu ứng nhà kính

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Nghiên cứu này nhằm góp phần tạo ra sản phẩm bê tông HSC sử dụng phụ gia nano SiO2 và tro bay thân thiện với môi trường, phục vụ các công trình xây dựng nói chung và công trình giao thông nói riêng Từ kết quả trên, một số kết luận được tổng hợp:

- NS được thêm vào HSC với mức thay thế khác nhau 0%, 0.5%, 1.0% và 1.5% với hàm lượng FA cố định 30% theo khối lượng chất kết dính được giữ ở mức 0.32 cho tất cả các hỗn hợp

- Cường độ nén Rn của bê tông HSC ở 3 và 7 ngày tuổi chịu sự ảnh hưởng của NS lớn hơn so với 28 và 56 ngày tuổi Cụ thể, giai đoạn 3 ngày tuổi cường độ chịu nén sử dụng 1.0%NS cao hơn 0%NS là 15.85%, ở giai đoạn 7, 28 và 56 ngày tuổi mức tăng là 11.11%, 12.43% và 12.07%

- Cường độ kéo khi uốn Rku của bê tông HSC khi sử dụng NS cải thiện đáng kể khi thêm mức tỷ lệ NS 0.5÷1.5% và đạt giá trị cao nhất ở tỉ lệ 1.0%NS Cụ thể cường độ Rku của bê tông HSC sử dụng 1.0%NS tăng lên so với mẫu đối chứng 0%NS và thay đổi theo các ngày tuổi: 9.23%, 20.08%, 17.29% và 13.17% tương tự như Rn ở giai đoạn 7 ngày và 28 ngày thì giá trị tăng lên nhiều khi sử dụng NS so với mẫu đối chứng

- Kết quả này cho thấy, khi sử dụng NS và FA trong bê tông HSC giúp phát triển cường độ Cụ thể, NS giúp phát triển ở giai đoạn tuổi sớm và FA giúp cải thiện sự phát triển ở giai đoạn 28 và 56 ngày tuổi Sự phát triển cường độ có thể do khả năng kích hoạt các phản ứng pozzolan của các hạt NS tăng tốc sự hình thành các gel C-S-H

- Trong công trình nghiên cứu này nhóm tác giả đề xuất mức tỉ lệ phụ gia kết hợp 1.0%NS + 30%FA đáp ứng các thông số yêu cầu về vật liệu dùng trong mặt đường cấp cao Kết quả kiểm toán kết cấu áo đường bê tông HSC khi sử dụng phụ gia nano SiO2 giảm chiều dầy 30 mm so với tấm bê tông HSC không sử dụng NS

- Những kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần làm phong phú thêm kiến thức về BTXM sử dụng phụ gia NS được điều chế từ tro trấu và tro bay trong kết cấu mặt đường ô tô khu vực Miền Nam, bên cạnh đó làm tài liệu tham khảo tốt cho giảng viên, học viên và sinh viên chuyên ngành xây dựng

“Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Thủ Dầu Một trong đề tài mã số DT.21.2-022”

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA NHÓM NGHIÊN CỨU

[1] Trần Hữu Bằng; Võ Thanh Hùng; Lê Thành Trung và Phú Thị Tuyết Nga (2022),

“Sử dụng phụ gia kết hợp nano SiO 2 và tro bay trong thiết kế thành phần bê tông xi măng cường độ cao HSC”, Tạp chí GTVT, tháng 03, trang 42-45

[2] Trần Hữu Bằng; Võ Thanh Hùng; Lê Thành Trung và Phú Thị Tuyết Nga (2022),

“Ảnh hưởng phụ gia kết hợp nano SiO 2 và Tro bay trong bê tông cường độ cao HSC làm mặt đường ô tô”, Tạp chí GTVT (Giấy xác nhận đã chấp nhận đăng số tháng 7/2022)

[3] Kỷ yếu hội thảo khoa học Kiến trúc xây dựng hướng phát triển bền vững lần thứ IV

2022 Diễn giả hội thảo ngày 03/06/2022, “Bê tông HSC sử dụng phụ gia kết hợp nano

SiO 2 và tro bay đề xuất thiết kế mặt đường ô tô”, Trang 19-29, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia, ISBN: 978-604-73-9009-0

TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT

[1] Bộ Giao thông vận tải (2012), Quyết định 1951/QĐ-BGTVT ban hành ngày 17/08/2012 “Quy định kỹ thuật tạm thời về thi công và nghiệm thu mặt bê tông xi măng trong xây dựng công trình giao thông”, (QĐ1951)

[2] Bộ Giao thông vận tải (2012), Quyết định 3230/QĐ-BGTVT ban hành ngày 24/12/2012 “Quy định kỹ thuật tạm thời về thiết kế mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông”, (QĐ3230)

[3] Lê Văn Bách (2016), “Bước đầu sử dụng nano SiO 2 điều chế từ tro trấu làm phụ gia cho bê tông Asphalt”, Tạp chí Giao thông vận tải, Số tháng 10