Nghiên cứu vật liệu nano sio2 điều chế từ tro trấu và silica fume làm phụ gia cho bê tông xi măng trong xây dựng đường ô tô khu vực miền tây nam bộ (tt)

1 Sự cần thiết việc nghiên cứu Bê tông xi măng vật liệu quan trọng phổ biến ngành xây dựng, đồng thời tiêu thụ hầu hết xi măng sản xuất giới Sử dụng khối lượng lớn xi măng làm tăng khí thải CO2 hậu phát sinh hiệu ứng nhà kính Phương pháp để hạn chế thành phần xi măng hỗn hợp bê tông sử dụng silica hạt mịn Một loại bột silica có tiềm thay xi măng phụ gia cho bê tơng nano SiO2 (NS) điều chế từ tro trấu kết hợp hai loại phụ gia nano SiO2 + silica Fume (SF) Tuy nhiên, hiệu thương mại NS SF tổ hợp nhiều yếu tố phức tạp, bao gồm trình làm sản xuất phức tạp khiến cho tính ứng dụng loại vật liệu vào ngành cơng nghiệp xây dựng hạn chế Từ lâu, vật liệu silica biết đến với ứng dụng tuyệt vời làm vật liệu xúc tác, vật liệu điện mơi, chất hấp phụ khí, hấp phụ ion kim loại nặng, chất vô [62] Để chế tạo loại vật liệu thực nhiều phương pháp khác Sol-gel, kết tủa hóa học, phương pháp vi nhũ tương kỹ thuật thủy nhiệt [85] Việt Nam nói chung khu vực miền Tây Nam Bộ nói riêng quốc gia sản xuất gạo đứng thứ hai giới với sản lượng gạo ước tính trung bình đạt khoảng 42 triệu năm [81] Trấu sau cháy, thành phần hữu bị phân hủy thu tro trấu Tro trấu nguyên liệu giàu silica đạt khoảng 85% đến 98% khối lượng nên nguồn nguyên liệu lý tưởng để tổng hợp vật liệu Silica Nguồn tro trấu khu vực miền Tây Nam Bộ phế phẩm nông nghiệp nhiều gây ô nhiễm môi trường Việc sử dụng nguồn tro trấu để điều chế thành phụ gia NS ứng dụng vào BTXM nhiều tác giả nghiên cứu Nhưng kết hợp hai loại phụ gia NS+SF làm tăng mặt học hóa học BTXM làm mặt đường tơ chưa có nghiên cứu chun sâu Việt Nam Do Luận án “Nghiên cứu vật liệu nano SiO2 điều chế từ tro trấu silica Fume làm phụ gia cho bê tông xi măng xây dựng đường ô tô khu vực miền Tây Nam Bộ” cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục đích nghiên cứu luận án - Thơng qua trình điều chế vật liệu tro trấu thành sản phẩm phụ gia NS Qua ứng dụng vật liệu nano SiO2 vào thành phần vữa xi măng bê tông xi măng - Xác định tỉ tệ hợp lý sử dụng phụ gia NS kết hợp hai loại phụ gia NS+SF thiết kế thành phần BTXM theo yêu cầu cường độ - Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá đặc trưng cường độ, mô đun đàn hồi, độ thấm ion clo, độ mài mòn, hệ số giãn nở nhiệt (CTE), độ thấm nước chiều sâu thấm loại BTXM sử dụng phụ gia NS phụ gia kết hợp NS+SF - Đề suất khả ứng dụng BTXM sử dụng phụ gia NS phụ gia kết hợp NS+SF thiết kế thi công áo đường cứng khu vực miền Tây Nam Bộ 2 Phạm vi nghiên cứu luận án - Tính tốn thiến kế thành phần mẫu vữa xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 - Tính tốn thiết kế thành phần bê tơng xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 phụ gia kết hợp NS+SF - Thí nghiệm xác định đặc trưng cường độ, khả chống mài mòn, mơ đun đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt (CTE), độ chống thấm ion clo, chống thấm nước, loại bê tông sử dụng phụ gia NS phụ gia NS+SF - Tính tốn dạng kết cấu mặt đường BTXM sử dụng phụ gia NS phụ gia NS+SF ứng dụng mặt đường ô tô khu vực miền Tây Nam Bộ theo QĐ 3220 [28] Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm - Phương pháp phân tích đánh giá Bố cục luận án Luận án gồm có phần Mở đầu, Chương, phần Kết luận Kiến nghị, danh mục cơng trình tác giả cơng bố, danh mục tài liệu tham khảo phụ lục Những đóng góp luận án - Tận dụng nguồn phế thải tro trấu nhà máy sản xuất gạch khu vực miền Tây Nam Bộ, thông qua trình điều chế thu sản phẩm nano SiO2 thích hợp cho việc làm chất phụ gia vữa xi măng BTXM - Nghiên cứu đề xuất bảng cấp phối vữa xi măng theo tỉ lệ NS (0.5 ÷ 2.0)%, tìm phương trình hồi quy Rn, Rku tuổi 28 ngày biến tỉ lệ phụ gia NS max lớn nhất, làm sở lựa chọn tỉ lệ thích hợp phạm vi thực nghiệm BTXM - Đã thí nghiệm để đưa thơng số chủ yếu cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, mơ đun đàn hồi, độ mài mòn, khả chống thấm ion clo, hệ số thấm độ thấm sâu BTXM; tính cơng tác BTXM cấp C35 sử dụng phụ gia NS BTXM sử dụng kết hợp phụ gia NS+SF kết cấu mặt đường ô tô; đề xuất cấu tạo dạng kết cấu mặt đường ô tô BTXM sử dụng phụ gia NS BTXM sử dụng kết hợp phụ gia NS+SF Kiến nghị phạm vi áp dụng - Thực nghiệm tìm hệ số giãn nở nhiệt (CTE) bê tông xi măng cấp C35 sử dụng phụ gia NS 10,408.10-6/0C; BTXM kết hợp phụ gia NS+SF 7,967.106 / C; BTXM thông thường 10,797.10-6/0C - Đề xuất ứng dụng kết cấu mặt đường BTXM khu vực miền Tây Nam Bộ: + Chiều dài dùng BTXM sử dụng phụ gia NS BTXM sử dụng kết hợp phụ gia NS+SF cho mặt đường BTXM lên đến 5m, tăng 10% so với qui định hành; + Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) BTXM có sử dụng phụ gia NS BTXM có sử dụng phụ gia kết hợp NS+SF có ảnh hưởng đến kết tính tốn ứng suất nhiệt gây mỏi [σtr] Hệ số có khả làm giảm ứng suất nhiệt tấm, giảm vết nứt tăng chiều dài BTXM 3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Tận dụng vật liệu phế thải tro trấu ngành nông nghiệp khu vực miền Tây Nam Bộ góp phần làm giảm nhiểm mơi trường, việc sử dụng sản phẩm phụ gia NS điều chế từ tro trấu vào vữa xi măng BTXM mang ý nghĩa khoa học thực tiễn - Mặt đường BTXM có sử dụng phụ gia NS phụ gia NS+SF làm giảm nhiệt thủy hóa, giảm ứng suất nhiệt nên ứng dụng làm lớp BTXM cho đường có qui mơ giao thông cấp III trở xuống - Xây dựng công thức thành phần vật liệu dạng kết cấu áo đường BTXM sử dụng phụ gia NS phụ gia NS+SF sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho kỹ sư thiết kế, tương lai có nhiều cơng trình đường quốc lộ đường cao tốc xây dựng vật liệu BTXM Chương TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO SiO2 VÀ SILICA FUME LÀM PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ Trong phần tổng quan trình bày quy định chung vật liệu BTXM làm mặt đường ô tô; khái quát BTXM sử dụng phụ gia NS phụ gia NS, ảnh hưởng phụ gia khoáng đến đặc tính bê tơng cơng trình nghiên cứu ứng dụng BTXM sử dụng hai loại phụ gia giới Việt Nam 1.1 Tổng quan vật liệu nano ứng dụng vật liệu nano bê tông 1.1.1 Định nghĩa vật liệu nano Thế giới nói chung Việt Nam nói riêng, cần đến nhiều nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực Công nghệ, vật liệu nano để nâng cao đời sống xã hội 1.1.2 Phân loại vật liệu nano + Vật liệu nano khơng chiều (cả ba chiều có kích thước nano); Ví dụ: Đám nano, Hạt nano Hình 1.1 - Vật liệu nano không chiều + Vật liệu nano chiều vật liệu hai chiều có kích thước nano ví dụ dây nano, ống nano, Hình 1.2 - Vật liệu nano chiều + Vật liệu nano hai chiều vật liệu chiều có kích thước nano, hai chiều tự ví dụ: màng mỏng, Hình 1.3 - Vật liệu nano chiều 1.2 Nghiên cứu ứng dụng phụ gia nano SiO2 silica Fume cho bê tông xi măng 1.2.1 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 silica Fume giới 1.2.1.1 Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano SiO2 vào bê tông Bê tông loại vật liệu composite Như kết quả, vận động cấp độ nano bê tơng dẫn đến tác động quan trọng đến tính chất bê tơng cấp độ vĩ mơ Nói cách khác thay đổi cấp độ nano ảnh hưởng đến tính chất cơng trình sử dụng vật liệu khối [57] Hình 1.4 cho thấy phân bố kích thước hạt có bê tơng thông thường so với bê tông HPC/HSC bê tơng thiết kế có chứa nano SiO2 [66] Hình 1.4 - Sự tương quan kích thước hạt diện tích bề mặt bê tơng Mitchell et.al [70] kết luận có thay đổi nhỏ mẫu ngày, hình thành CHS cách rộng rãi 120 ngày Theo Li [68] lượng muội silic phản ứng chậm, sau 90 ngày 75% Sự ảnh hưởng nano SiO2 đến tính chất đơng cứng Ye et.al [87] Ye [87] nghiên cứu kính hiển vi bề mặt hỗn hợp vữa-cốt liệu Thấy kích thước lớn tinh thể hạt CH mẫu giảm từ 10µm ( mẫu vữa đối chứng) xuống µm (mẫu vứa với 3% nano silica) Một vài nghiên cứu khác gia tăng đặc tính cường độ vật liệu sử dụng xi măng sử dụng nano SiO2 vật liệu thay xi măng, tính cao so sánh với sử dụng muội silic [63][69] Nghiên cứu Jo [63] cho thấy cường độ chịu nén vữa gia tăng đáng kể với chất phụ gia nano SiO2 so với muội silic Li et.al [68] thơng qua phân tích kính hiển vi SEM mẫu đá xi măng, đưa đến kết luận nano SiO2 cải thiện cấu trúc vi mơ đá xi măng Hình 1.5 (a) hình 1.5 (b) hình ảnh kính hiển vi đá xi măng thủy hóa khơng có có nano SiO2, trích từ Li et al [68] 5 Hình 1.5 - Cấu trúc vi mơ BTXM khơng có nano SiO2 (a) BTXM có nano SiO2 (b) (1,2,3 thị tinh thể CH, cụm CSH, lỗ mao dẫn) Mondal et.al [71] rút kết luận đưa nano SiO2 không ảnh hưởng tới môđun đàn hồi độ cứng loại CHS Tuy nhiên tỉ lệ thể tích CHS có độ cứng cao tăng lên 50% mà nano SiO2 thay 18% khối lượng xi măng Kết loại đá xi măng cường độ cao bền [71] Tính thấm nước lượng nước hấp phụ bê tơng hai đặc tính ảnh hưởng đến độ bền Đặc tính thấm nước bê tông sử dụng nano SiO2 nghiên cứu Ji [61] Theo nghiên cứu, hạt nano SiO2 phân tán không tốt đá xi măng, chúng tích tụ tạo thành đám [69] + Mơ hình tính bê tơng nano; Lý thuyết đồng nhất; Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) K Sobolev nhận cách sử dụng vật liệu nano SiO2, độ bền, độ cứng bê tông xi măng tăng lên Gần Brian Green sử dụng nano SiO2 để giảm tính thấm tăng cường độ chịu nén bê tông xi măng [53] Một số tính chất xi măng Portland III thay nano silica với tỷ lệ phần trăm 1, 3, 10% đánh giá Kết cho thấy nano SiO2 từ 5% bắt đầu có ảnh hưởng tích cực đến cường độ vữa với 10% cải thiện cường độ nén so mẫu đối chứng [49] Mostafa Brown [50] cho rằng, vai trò chủ yếu xi măng Portland trở nên nhường chỗ cho xi măng hỗn hợp, điều chủ yếu lý mơi trường, kinh tế công nghệ 1.2.1.2 Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu silica Fume vào bê tông P.Vinayagam (2012) tiến hành thí nghiệm với SF thay xi măng từ đến 15% phụ gia siêu dẻo cho bê tơng tính cao [75] Hooton (Hooton, 1993) tiến hành thí nghiệm việc thay xi măng SF thí nghiệm nghiên cứu tính chất lý độ bền bê tơng đóng băng băng tan, độ bền Sunphát phản ứng kiềm-silica [59] Yogendran Langan (Yogendran Langan, 1982) khảo sát bê tông cường độ cao sử dụng Silica Fume với tỷ lệ (N/X = 0,34) [82] Annadurai Ravichandran, (2014), kết thí nghiệm cho thấy việc bổ sung SF tăng cường độ nén giảm độ sụt bê tông [47] 6 Theo Shanmugavalli [78], cấp phối sử dụng 10% silica Fume thay xi măng cải thiện đáng kể khả chịu nén bê tơng có hàm lượng pozzolanic tự nhiên cao, giúp phản ứng với calcium hydroxide để hình thành thể gel calcium silicat hydrate tăng cường học cho bê tông 1.2.2 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 silica Fume Việt Nam 1.2.2.1 Phụ gia khoáng silica từ tro trấu nano SiO2 từ tro trấu Vỏ gạo sau cháy thành phần hữu bị phân hủy thu tro trấu Tro trấu nguyên liệu giàu SiO2 nhất, đạt khoảng 80 đến 90% khối lượng nên nguồn nguyên liệu lý tưởng để tổng hợp vật liệu SiO2 [81] Luận án tiến sĩ Trần Thị Thu Hà (2010) giảng viên môn đường - Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, nghiên cứu thành công tro trấu ứng dụng làm “Bê tông xi măng sử dụng đá vơi chất độn có chứa hàm lượng ơxít silic cho điều kiện Việt Nam” [8] TS Đào Văn Đông (2008) “Ảnh hưởng phụ gia tro trấu đến tính chất bê tơng cường độ cao [5] TS Đào Văn Đơng “Nghiên cứu góp phần hồn thiện công nghệ sản xuất phụ gia tro trấu Việt Nam” [6] PGS.TS Đào Văn Đông “Nghiên cứu đánh giá chất lượng khả sử dụng số loại phụ gia tro trấu cho bê tông xi măng cường độ cao Việt Nam” [7] Kết nghiên cứu nhóm tác giả Phạm Duy Hữu, Vũ Việt Cường, Vương Đặng Lê Mai, Đặng Thị Thanh Lê, cho kết quả: nano SiO2 làm tăng cường độ chịu nén bê tông xi măng 40% tro bay, đặc biệt tuổi sớm ngày Mức tăng tỉ lệ với hàm lượng sử dụng, cụ thể 15,9% với 1% nano SiO2 46,8% với 2% nano SiO2 [14] ThS Nguyễn Tiến Trung (2008) nghiên cứu độ thấm ion clo phương pháp điện lượng loại bê tông sử dụng kết hợp 5% tro trấu (TT) 15% TB, bê tông dùng 4%MS 20%TB [23] ThS Ngọ Văn Toản – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, cơng trình “Nghiên cứu ảnh hưởng Tro trấu phụ gia siêu dẻo tới tính chất hồ, vữa bê tông xi măng” [25] 1.2.2.2 Phụ gia khoáng silica Fume Khi sử dụng phụ gia khoáng silica Fume, hàm lượng 10% silica Fume tối ưu để chế tạo bê tông chất lượng siêu cao, cường độ nén đạt lớn 152MPa 160MPa [21] GS.TS Phạm Duy Hữu cộng (2008) nghiên cứu độ thấm ion clo bê tông cấp 60 80 MPa sử dụng kết hợp 15%TB 7%MS [11] TS Phan Đức Hùng, TS Lê Anh Tuấn cơng bố cơng trình khoa học “Cường độ chịu nén bê tông sử dụng sợi Poly-Propylene silica Fume” trình bày ảnh hưởng sợi poly-propylene silica Fume đến cường độ nén bê tông [15] Tác giả Nguyễn Quang Phú - Trường Đại học Thủy Lợi (2015) “Thiết kế bê tơng tính cao sử dụng siluca Fume phụ gia siêu dẻo” [20] 7 1.3 Các thông số chủ yếu vật liệu bê tông xi măng cho thiết kế kết cấu mặt đường ô tô Việt Nam 1.3.1 Cường độ bê tông xi măng 1.3.2 Mô đun đàn hồi 1.3.3 Độ co ngót hệ số giãn nở nhiệt bê tơng xi măng 1.3.4 Độ mài mòn 1.4 Kết luận chương định hướng nghiên cứu Chương NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VIỆC SỬ DỤNG PHỤ GIA SILICA FUME VÀ NANO SiO2 ĐIỀU CHẾ TỪ TRO TRẤU CHO VỮA - BÊ TÔNG XI MĂNG Sản phẩm nano SiO2 có diện tích bề mặt khoảng 258,3 m2/gam, phân tích cho thấy SiO2 thành phần tro trấu chiếm tỉ lệ khối lượng cao 85,40% Việc sử dụng kết hợp hai loại phụ gia NS+SF Phụ gia silica Fume phần vơ định hình nano SiO phản ứng với Ca(OH)2 tạo thuỷ hoá xi măng Phản ứng tạo gel CHS (CaO.H2O.SiO2) liên kết chặt chẽ với cốt liệu đồng thời làm giảm hàm lượng Ca(OH)2 lợi sinh thuỷ hố xi măng Tuy nhiên hạt NS cực mịn nên lấp đầy khe kẻ nhỏ làm cho vữa bê tông xi măng đặc Thực nghiệm tìm phương trình hồi quy mẫu vữa 28 ngày tuổi Rn, Rku giá trị biến tỉ lệ phụ gia NS max lớn Cơ sở lựa chọn tỉ lệ thích hợp phạm vi nghiên cứu thực nghiệm cho BTXM sử dụng phụ gia NS (0.5 ÷ 2.0)% 2.1 Nghiên cứu loại phụ gia cho bê tông xi măng 2.1.1 Khái niệm phụ gia 2.1.2 Phân loại phụ gia 2.2 Q trình thủy hóa xi măng pooclăng 2.3 Giới thiệu tro trấu kết thu sản phẩm nano SiO2 điều chế từ tro trấu khu vực miền Tây Nam Bộ 2.3.1 Giới thiệu tro trấu Tro trấu lấy mẫu từ nhà máy gạch khối Tân Kỷ Nguyên tọa lạc khu công nghiệp Thịnh Phát, huyện Bến Lức, tỉnh Long An Cơng suất lò tiêu thụ lượng trấu khoảng 20 trấu/ngày thải môi trường khoảng tro/ngày Để chế tạo loại vật liệu nano SiO2 từ tro trấu thực nhiều phương pháp khác sol-gel, kết tủa hóa học [85] Hình 2.1- Lò cơng nghiệp nhà máy Gạch Khối Tân Kỷ Nguyên Hình 2.2 - Mẫu tro trấu lấy từ nhà máy Gạch Khối Tân Kỷ Nguyên 2.3.2 Kết thu sản phẩm nano SiO2 điều chế từ tro trấu Nano SiO2 sử dụng luận án chế tạo từ tro trấu Phòng Nghiên cứu Triển khai Cơng nghệ Hóa Môi trường - Trung tâm Nghiên cứu Phát triển & Chuyển giao Công nghệ - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Nano SiO2 thu dạng bột, màu trắng mịn [16][17] Hình 2.3- Mẫu tro trấu trước điều chế Hình 2.4 – Sản phẩm thu nano SiO2 EDX (Phổ tán sắc lượng tia X) Nano SiO2 sử dụng luận án phân tích EDX Viện khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam, kết hình 2.9 cho thấy, vật liệu SiO2 điều chế có thành phần nguyên tử chủ yếu Si (28,78%) O (57,92%), tỷ lệ % nguyên tử Si/O xấp xỉ 1/2 - 1000 003 OKa SiKa 900 800 700 Element Counts 600 C K O K Si K Total 500 300 0.277 0.525 1.739 100.00 Mass% Atom% 8.44 48.91 42.66 100.00 13.31 57.92 28.78 CKa 400 (keV) 200 100 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV Hình 2.5 - Phổ EDX thành phần nguyên tố mẫu SiO2 - XRD (Kỹ thuật nhiễu xạ tia X) Nano SiO2 sử dụng luận án phân tích nhiễu xạ tia X Viện khoa học vật liệu ứng dụng Thành phố Hồ Chí Minh Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phồ Hồ Chí Minh Hình 2.6 - Giản đồ XRD mẫu SiO2 Giản đồ XRD mẫu bột SiO2 thực hình 2.6 Từ kết XRD cho thấy, mẫu tồn chủ yếu dạng pha tinh thể SiO2 thuộc hệ mạng nghiêng monoclinic, đỉnh pic đặc trưng ứng với góc 2 khoảng 19,760 Bên cạnh pha tinh thể mẫu SiO2 lẫn pha SiO2 vơ định hình 9 SEM (Kính hiển vi điện tử qt) Mẫu nano SiO2 luận án thí nghiệm SEM Viện Vệ sinh dịch tễ Trung Ương, kết hình 2.7 Ảnh hiển vi điện tử quét SEM mẫu bột SiO2 chụp thiết bị Hitachi-S4800 Ảnh TEM chụp kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010 (JEOL-Nhật Bản) - TEM (Kính hiển vi điện tử truyền qua) Mẫu nano-silica đề tài thí nghiệm TEM Viện Vệ sinh dịch tễ Trung Ương, kết ảnh TEM thu hình 2.8 Ảnh TEM cho thấy xuất hạt tinh thể rõ ràng, hạt nhỏ (khoảng 10 đến 20 nm) phân bố đồng - Hình 2.7 - Ảnh SEM mẫu SiO2 - Hình 2.8 - Ảnh TEM mẫu SiO2 BET (Brunauer-Emmett-Teller ) Kết BET vật liệu nano SiO2 điều chế từ tro trấu sử dụng luận án chụp Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh có tỉ diện tích bề mặt lớn khoảng 258,3 m2/gam 2.4 Cơ sở khoa học kết hợp hai loại phụ gia nano SiO2 silica Fume 2.4.1 Ảnh hưởng hạt nano SiO2 tăng cường độ bê tông xi măng 2.4.1.1 Đặc tính nano SiO2 (NS) Nano SiO2 dạng vật liệu silica tinh thể vơ định hình với kích thước hạt nhỏ 100 nm, có nghĩa kích thước hạt nhỏ muội silic Các lý thuyết trong phần trình bày tác giả nghiên cứu với NS có đường kính từ 7-40 nm độ tinh khiết khoảng 85,4% SiO2 2.4.1.2 Tác động nano SiO2 đến hồ xi măng, vữa bê tông Nghiên cứu Qing (2007) cường độ đá xi măng, vữa sử dụng NS tăng nhiều so với sử dụng lượng muội silic [73] Belkowitz Armentrout (2009) NS làm tăng cường độ chịu nén đá xi măng hiệu so với muội silic, đặc biệt tuổi sớm [64] Nghiên cứu Li (2004) với 5% lượng xi măng thay NS (đường kính 15±5 nm), cường độ chịu nén 28 ngày tăng tương ứng 20 17% [69] Jo (2007) đưa kết tương tự [63] Schoepfer Maji (2009) nghiên cứu ảnh hưởng silica với đa dạng kích thước hạt (150, 100, 40, 12, nm) đến phát triển cường độ chịu nén bê tông với hàm lượng nhỏ (18% tro bay) [79] 2.4.1.3 Phân tán hạt nano Silica Wang cộng [83], Kết tạo thành luồng chất lỏng tốc độ cao ứng suất học hạt, điều phá vỡ lực hấp dẫn hạt nano hình 2.9, phân tán phân tách đám ngưng tụ hiệu 10 Hình 2.9 - Sự phân tán tan ngưng tụ hạt nano (a) trước trộn siêu âm (b) sau trộn siêu âm Hình 2.10 - Kết phân tán phương pháp siêu âm hạt silica nước * Nhận xét: Từ phân tích nhận xét hạt nano SiO2 làm gia tăng hàm lượng màng C-H-S cách hạt trung tâm cho sản phẩm thủy hóa phản ứng puzơlan Việc sử dụng NS làm giảm số lượng, định hướng kích thước tinh thể CH bề mặt cốt liệu phản ứng puzơlan Ngoài tác dụng chèn khe nhỏ nhất, NS có khả phản ứng puzơlan tác động cải thiện vi cấu trúc tốt so với muội silic kết NS giúp tăng cường độ chịu nén bê tông cao so với muội silic 2.4.2 Ảnh hưởng hạt silica Fume đến cường độ bê tông xi măng 2.4.2.1 Đặc tính silica Fume (SF) Các hạt SF có dạng hình cầu, bề mặt trơn phẳng, kích thước trung bình hạt SF vào khoảng 0.1-0.2µm, tức vào khoảng 1:50-1:100 kích thước hạt xi măng tro bay, tỷ diện bề mặt hạt silica fume vào khoảng từ 13000-25000m2/kg [88] Bột SF có khối lượng đơn vị trạng thái đổ đống nhỏ, vào khoảng 0,150,22 tấn/m3 SF có hàm lượng ơxit silíc hoạt tính cao vào khoảng 85-98% [89] 2.4.2.2 Tác động silica Fume đến hồ xi măng, vữa bê tông * Tính dẻo vữa bê tơng [88][89] * Sự phát triển cường độ bê tơng [77][89] * Tính thấm bê tông [84] * Khả bảo vệ cốt thép [89] 2.4.2.3 Phân tán hạt silica Fume [88] * Nhận xét: Silica Fume đóng vai trò chất kết dính silica Fume có kích thước hạt nhỏ kích thước hạt xi măng có khả lấp đầy lỗ rỗng nước tự thoát xi măng Độ siêu mịn cho phép silica Fume lấp đầy lỗ rỗng vi mô hạt xi măng, iệu vi chất lấp đầy làm giảm mạnh khả thấm nước tăng mạnh liên kết cốt liệu với hồ xi măng bê tông silica Fume so với bê tông thông thường Phụ gia silica Fume phản ứng với Ca(OH)2 tạo thuỷ hoá xi măng Phản ứng tạo gel CHS liên kết chặt chẽ với cốt liệu đồng thời làm giảm hàm lượng Ca(OH)2 lợi sinh thuỷ hố xi măng 11 2.5 Nghiên cứu thực nghiệm nano SiO2 để nâng cao tính vữa xi măng 2.5.1 Giới thiệu Luận án nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng tỉ lệ phần trăm NS tới phát triển cường độ chịu nén chịu kéo uốn mẫu vữa xi măng, thiết kế theo TCVN 3121-11:2003 [34] Hàm lượng NS thay đổi (0, 0.5, 1.0, 1.5 2.0) % theo khối lượng xi măng Hình 2.11 - Cơng tác chuẩn bị mẫu vật liệu thí nghiệm vữa xi măng 2.5.2 Thiết kế thành phần chế tạo vữa xi măng theo tỉ lệ nano SiO2 Trên sở thiết kế thực nghiệm (DoE), tác giả ứng dụng phần mềm Minitab sử dụng dạng mặt đáp ứng, thiết kế hỗn hợp tâm xoay với biến phụ thuộc R ku, Rn cường độ 28 ngày tuổi biến độc lập liên tục tâm xoay (N/X, NS/X C/X), hệ số alpha=1 (Tâm xoay mặt) [4], 2.5.3 Thiết bị, dụng cụ phương pháp thử Thực nghiệm Phòng Rectie - Trường Đại học Bách Khoa Tp_HCM Hình 2.20 - Kiểm tra Dxòe Hình 2.22 - Thí nghiệm Hình 2.23 - Thí mẫu vữa xi măng cường Rku mẫu nghiệm Rn mẫu 2.5.4 Kết cường độ chịu nén kéo uốn vữa xi măng Trong phạm vi nghiên cứu thực nghiệm, tìm biến tỉ lệ đạt cường độ kéo uốn nén cao vữa xi măng tuổi 28 ngày phương trình hồi qui Rku Rn Kết tổng hợp theo bảng 2.4 Bảng 2.4 - Kết cường độ chịu nén kéo uốn vữa xi măng Tên mẫu vữa Tỉ lệ nano SiO2 (%) Cường độ Rn (MPa) Cường độ Rku (MPa) N0 N1 N2 N3 N4 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 49.44 53.54 55.51 54.98 52.45 6.06 6.32 6.63 6.59 6.48 12 2.5.4.1 Phân tích cường độ chịu kéo uốn phần mềm Minitab Response Surface Regression: Rku (28days) versus N/X, NS/X, C/X Analysis of Variance (Phân tích phương sai) Hình 2.24 - Biểu đồ phân tích phần dư ANOVA Đồ thị Normal Probability Plot Đồ thị cho thấy số dư phân bố gần so với phân phối chuẩn Đồ thị Histogram hiển thị tần suất xuất số dư Đồ thị Verus Fits Các điểm phân bố ngẫu nhiên khơng theo quy luật khác ngồi N/X, NS/X,C/X Đồ thị Versus Order biểu diễn quan hệ số dư thứ tự điểm liệu Các điểm phân bố không ngẫu nhiên, chứng tỏ liệu Rku nhập không bị ảnh hưởng yếu tố thời gian (chẳng hạn, sau giá trị lớn) Phân tích ANOVA hệ số xác định điều chỉnh R2đc = 96.08%, tất biến tổ hợp có hệ số P-Value 86 258,3 m2/g