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

Nano SiO2 và silica Fume cũng thuộc cùng một loại và khả năng áp dụng thực tế của việc sử dụng hai loại phụ gia này trong ngành công nghiệp xây dựng là cao hơn nhiều so với vật liệu nano

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Trần Hữu Bằng

LỜI CẢM ƠN

Luận án được thực hiện dưới dự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Lê Văn Bách và

TS Nguyễn Mạnh Hùng - những người thầy đã tận tình hướng dẫn và định hướng khoa học; tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

để hoàn thành luận án

Trong quá trình làm luận án, tác giả đã nhận được sự hỗ trợ và giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô giáo, các nhà khoa học thuộc Bộ môn Đường bộ, Bộ môn Vật liệu Xây dựng, Bộ môn Đường ô tô sân bay - Trường Đại học Giao thông vận tải và GS.TS Bùi Xuân Cậy, GS.TS Phạm Duy Hữu, GS.TS Phạm Huy Khang, PGS.TS Lã Văn Chăm, PGS.TS Nguyễn Quang Phúc, PGS.TS Trần Thị Kim Đăng, PGS.TS Nguyễn Thanh Sang, PGS.TS Đặng Thị Thanh Lê, TS Lương Xuân Chiểu, TS Thái Khắc Chiến Tác giả xin chân thành cảm ơn

Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải; Trung tâm Khoa học Công Nghệ

GTVT; Phân hiệu Trường Đại học Giao thông Vận tải tại TP Hồ Chí Minh; Trường

Đại Học Bách Khoa TP.HCM; Phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng – LAS–XD 143 của Trường Đại Học Bách Khoa Tp_HCM; Viện khoa học Thủy lợi Miền Nam; Phòng thí nghiệm Kiểm định Xây dựng LAS – XD 498 của Liên hiệp khoa học địa chất – Kiểm định nền móng – Xây dựng – Sài gòn; Phòng thí nghiệm vật liệu nano Phân viện vật liệu xây dựng Miền Nam khu công Nghệ cao Tp_HCM; Khoa công trình – Bộ môn Đường bộ; Bộ môn Vật liệu xây dựng; Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học nhiệt tình giúp đỡ và cung cấp các tài liệu quý báu để tác giả hoàn thành luận án này

Tác giả luận án

Trần Hữu Bằng

MỤC LỤC Trang

MỞ ĐẦU 1

1.Sự cần thiết của việc nghiên cứu 1

2.Mục đích nghiên cứu của luận án 3

3 Phạm vi nghiên cứu của luận án 3

4.Phương pháp nghiên cứu 4

5.Bố cục của luận án 4

6.Những đóng góp mới của luận án 4

7.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5

Chương 1 6

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 6

1.1 Tổng quan về vật liệu nano và ứng dụng của vật liệu nano trong bê tông 6

1.1.1 Định nghĩa vật liệu nano 6

1.1.2 Phân loại vật liệu nano 6

1.2 Nghiên cứu ứng dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume cho bê tông xi măng 8

1.2.1 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume trên thế giới 8

1.2.1.1 Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano SiO2 vào trong bê tông 8

1.2.1.2 Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu silica Fume vào trong bê tông 16

1.2.2 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume ở Việt Nam 17

1.2.2.1 Phụ gia khoáng silica từ tro trấu và nano SiO2 từ tro trấu 17

1.2.2.2 Phụ gia khoáng silica Fume 20

1.3 Các thông số chủ yếu của vật liệu bê tông xi măng cho thiết kế kết cấu mặt đường ô tô 22

1.3.1Cường độ của bê tông xi măng 23

1.3.2 Mô đun đàn hồi 23

1.3.3Độ co ngót và hệ số giãn nở nhiệt tấm bê tông xi măng 24

1.3.4Độ mài mòn 25

1.4 Kết luận chương 1 và định hướng nghiên cứu của luận án 26

Chương 2 28

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 28

2.1 Nghiên cứu các loại phụ gia cho bê tông xi măng 28

2.1.1 Khái niệm phụ gia 28

2.1.2 Phân loại phụ gia 28

2.1.2.1 Phụ gia khoáng 28

2.1.2.2 Phụ gia hóa học 31

2.2 Quá trình thủy hóa của xi măng pooclăng 32

2.3 Giới thiệu tro trấu và kết quả thu được sản phẩm nano SiO2 điều chế từ tro trấu khu vực miền Tây Nam Bộ 33

2.3.1 Giới thiệu tro trấu 33

2.3.2 Kết quả thu được sản phẩm nano SiO2 điều chế từ tro trấu 34

2.4 Cơ sở khoa học kết hợp hai loại phụ gia nano SiO2 và silica Fume 38

2.4.1 Ảnh hưởng của các hạt nano SiO2 tăng cường độ của bê tông xi măng 38

2.4.1.1 Đặc tính của nano SiO2 (NS) 38

2.4.1.2 Tác động của nano SiO2 đến hồ xi măng, vữa và bê tông 39

2.4.1.3 Phân tán hạt nano Silica 39

2.4.2 Ảnh hưởng của các hạt silica Fume đến cường độ của bê tông xi măng 41

2.4.2.1 Đặc tính của silica Fume (SF) 41

2.4.2.2 Tác động của silica Fume đến hồ xi măng, vữa và bê tông 42

2.4.2.3 Phân tán hạt silica Fume 43

2.5 Nghiên cứu thực nghiệm nano SiO2 để nâng cao tính năng của vữa xi măng 44

2.5.1 Giới thiệu 44

2.5.2 Thiết kế thành phần chế tạo của vữa xi măng theo tỉ lệ nano SiO2 45

2.5.3 Thiết bị, dụng cụ và phương pháp thử 46

2.5.4 Kết quả cường độ chịu nén và kéo uốn của vữa xi măng 47

2.5.5 Cấu trúc của vữa xi măng có sử dụng phụ gia nano SiO2 52

2.6 Kết luận chương 2 53

Chương 3 55

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHỤ GIA NANO SiO2 VÀ SILICA FUME NÂNG CAO TÍNH NĂNG CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG 55

3.1 Các yêu cầu của xi măng và bê tông xi măng dùng trong xây dựng mặt đường

3.1.1 Các yêu cầu đối với xi măng dùng trong xây dựng mặt đường ô tô 55 3.1.2 Đối với BTXM dùng trong xây dựng mặt đường ô tô 55

3.2 Vật liệu chế tạo bê tông xi măng 57

3.4 Thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn và cường độ nén của BTXM 71

3.4.1Phân tích, đánh giá, nhận xét các kết quả thí nghiệm cường độ Rn và Rku của bê

3.4.1.1 Trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu quy hoạch thực nghiệm 73 3.4.1.2 Thiết kế thực nghiệm và phân tích thống kê cường độ nén, cường độ kéo uốn của bê tông cấp C30, C35 và C40 theo tỷ lệ NS ở các ngày tuổi 75

3.4.1.3 Thiết kế thực nghiệm và phân tích thống kê cường độ nén, cường độ kéo uốn của bê tông cấp C35 theo tỷ lệ NS+SF ở các ngày tuổi 82

3.5 Nghiên cứu các tính chất chủ yếu của BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica

3.5.2 Khả năng chống mài mòn của bê tông xi măng 94

3.5.4 Thí nghiệm xác định độ chống thấm nước và độ thấm sâu của BTXM 98 3.5.5 Thí nghiệm độ thấm ion clo của bê tông xi măng 102

3.6 Kết luận chương 3 107

Chương 4 109

NGHIÊN CỨU BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG PHỤ GIA NANO SiO2 VÀ SILICA FUME TRONG KẾT CẤU MẶT DƯỜNG Ô TÔ KHU VỰC MIỀN TÂY NAM BỘ 4.1 Khái quát về mạng lưới giao thông khu vực miền Tây Nam Bộ 109

4.2 Các yêu cầu chung về thiết kế kết cấu mặt đường bê tông xi măng 1 112

4.2.1 Mặt đường BTXM thường có khe nối (JPCP) 113

4.2.2 Mặt đường bê tông cốt thép có khe nối (JRCP) 113

4.2.3 Mặt đường bê tông cốt thép liên tục (CRCP) 113

4.2.4 Phân cấp giao thông [28] 114

4.2.5 Nội dung yêu cầu cơ bản thiết kế mặt đường bê tông xi măng 114

4.2.5.1 Nội dung thiết kế mặt đường bê tông xi măng thông thường 114

4.2.5.2 Yêu cầu chung đối với thiết kế mặt đường BTXM thông thường 115

4.3 Phân tích khả năng ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume làm mặt đường ô tô 116

4.3.1 Khả năng đáp ứng về cường độ 116

4.3.1.1 Cường độ chịu kéo uốn của BTXM sử dụng phụ gia NS và NS+SF 117

4.3.1.2 Cường độ chịu nén của BTXM sử dụng phụ gia NS và NS+SF 117

4.3.1.3 Mô đun đàn hồi của BTXM sử dụng phụ gia NS và NS+SF 117

4.3.2 Độ mài mòn của BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và NS+SF 118

4.3.3 Độ thấm ion clo, khả năng chống thấm nước và độ thấm xuyên sâu của BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và NS+SF 118

4.3.4 Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của BTXM sử dụng phụ gia nano SiO 2 và NS+SF 119

4.3.5 Tính công tác của BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume 119

4.3.5.1 Độ sụt của hỗn hợp BTXM sử dụng phụ gia NS và NS+SF 119

4.3.5.2 Thời gian đông kết chất kết dính của hỗn hợp BTXM sử dụng phụ gia NS và NS+SF 120

4.3.6 Đề xuất ứng dụng BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và NS+SF cho cấp đường ô tô khu vực miền Tây Nam Bộ 120

4.4 Đề xuất các dạng kết cấu áo đường BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và NS+SF khu vực miền Tây Nam Bộ 121

4.4.1 Các số liệu phục vụ thiết kế 121

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 128

II Những giới hạn, tồn tại và định hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án 130

PHỤ LỤC A: THỰC NGHIỆM CHỈ TIÊU Rku VÀ Rn VỮA XI MĂNG IX

A.2 Xử lý kết quả thực nghiệm và phân tích bằng phần mềm Minitab XII PHỤ LỤC B: THỰC NGHIỆM CHỈ TIÊU Rku VÀ Rn BÊ TÔNG XI MĂNG XIV

B.2 Kết quả thực nghiệm Rn và Rku của các loại bê tông xi măng ở các ngày tuôi theo

CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

Ký hiệu

AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials

(Hiệp hội những người làm đường bộ và vận tải Mỹ)

ACAA : American Coal Ash Association (Hiệp hội tro bay Mỹ)

ACI : American Concrete Institute (Viện bê tông Mỹ)

ASTM : American Society for Testing and Materials (Hiệp hội thí nghiệm và vật

liệu Mỹ)

BS : British Satadards Institue – BSI (Viện tiêu chuẩn Anh)

BET : Brunauer-Emmett-Teller (Lý thuyết hấp thụ)

BTXM : Bê tông xi măng

QĐ3230 : 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

QĐ1951 : Quy định kỹ thuật tạm thời về thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông

xi măng trong xây dựng công trình giao thông

Rn : Cường độ chịu nén bê tông xi măng

Rku : Cường độ chịu kéo uốn bê tông xi măng

SF : silica Fume

SEM : Scanning Electron Microscope – Kính hiển vi điện tử quét

GTVT : Giao thông Vận tải

HPS : High Performance Concrete – Bê tông tính năng cao

HSC : High Strength Concrete – Bê tông cường độ cao

TEM : Transmission Electron Microscopy – Kính hiển vi điện tử truyền qua TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

XRD : X – Ray Diffraction – Kỹ thuật nhiễu xạ tia X

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 - Trị số mô đun đàn hồi tính toán của các loại bê tông xi măng 24

Bảng 2.1 - Thành phần hạt của cát tiêu chuẩn 45

Bảng 2.2 - Thiết kế vữa xi măng theo tỷ lệ nano SiO2 45

Bảng 2.3 - Tỉ lệ các biến 46

Bảng 2.4 - Kết quả cường độ chịu nén và kéo uốn của vữa xi măng 48

Bảng 3.1 - Các chỉ tiêu yêu cầu của bê tông dùng trong xây dựng mặt đường ô tô 55

Bảng 3.2 - Cường độ R n và R ku của xi măng làm mặt đường BTXM 56

Bảng 3.3 - Các chỉ tiêu hóa, lý của xi măng dùng trong xây dựng mặt đường BTXM 56

Bảng 3.4 - Các tính chất cơ lý của xi măng Hà Tiên PC40 57

Bảng 3.5 - Thành phần khoáng vật của xi măng Hà Tiên PC40 58

Bảng 3.6 - Các tính chất vật lý chung của hạt nano SiO2 58

Bảng 3.7 - Thành phần hóa học theo khối lượng của Silica Fume 58

Bảng 3.8 - Các chỉ tiêu yêu cầu đối với cốt liệu thô dùng làm mặt đường BTXM 59

Bảng 3.9 - Các chỉ tiêu cơ lý của đá đăm D max =19mm Tân Đông Hiệp – Bình Dương 59

Bảng 3.10 - Thành phần hạt của đá dăm mỏ đá Tân Đông Hiệp – Bình Dương 60

Bảng 3.11 - Các chỉ tiêu cơ lý yêu cầu đối với cát dùng làm mặt đường BTXM 60

Bảng 3.12 - Các chỉ tiêu cơ lý cát vàng lòng hồ Trị An huyện Vĩnh Cửu tỉnh Đồng Nai 61

Bảng 3.13 - Thành phần hạt của cát vàng lòng hồ Trị An huyện Vĩnh Cửu tỉnh Đồng Nai 61

Bảng 3.14 - Độ sụt của hỗn hợp bê tông theo loại kết cấu 62

Bảng 3.15 - Lượng nước trộn và hàm lượng không khí của bê tông tươi 63

Bảng 3.16 - Mối quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và cường độ nén

644 Bảng 3.17 - Thể tích của đá dăm đã đầm chặt trên một đơn vị thể tích bê tông

644 Bảng 3.18 - Thành phần bê tông cấp 30, 35 và 40 MPa 67

Bảng 3.19 - Thành phần bê tông cấp 35MPa sử dụng phụ gia nano SiO 2 và silica Fume 68

Bảng 3.20 - Số lượng các mẫu BTXM dùng thí nghiệm 69

Bảng 3.21 - Ví dụ đánh giá độ chụm của kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn C30 ở 28 ngày 74

Bảng 3.22 - Kết quả thí nghiệm Rn; Rku và mô đun đàn hồi của bê tông sử dụng phụ gia NS và sử dụng phụ gia NS+SF ở tuổi 28 ngày 90

Bảng 3.23 - Các mối quan hệ cường độ chịu độ chịu kéo uốn và mô đun đàn hồi với

cường độ chịu nén của bê tông sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume 93

Bảng 3.24 - Kết quả thí nghiệm độ mài mòn của bê tông xi măng 95

Bảng 3.25 - Độ giãn nở nhiệt CTE của các loại cốt liệu khác nhau 97

Bảng 3.26 - Kết quả thí nghiệm hệ số giãn nở nhiệt (CTE) 98

Bảng 3.27- Số lượng mẫu bê tông xi măng thí nghiệm độ chống thấm 99

Bảng 3.28 - Quan hệ cấp chống thấm W và độ thấm sâu của BTXM 100

Bảng 3.29 - Số lượng mẫu bê tông xi măng thí nghiệm độ thấm ion clo 103

Bảng 3.30 - Mức độ thấm ion clo của mẫu bê tông xi măng 104

Bảng 3.31 - Độ thấm ion clo của các loại bê tông C30, C35 và C40 105

Bảng 4.1 - Hiện trạng mặt đường quốc lộ khu vực Miền Tây Nam Bộ 110

Bảng 4.2 - Phân cấp quy mô giao thông 117

Bảng 4.3 - Chiều dày tấm BTXM thông thường tùy theo cấp hạng đường và quy mô giao

thông (tham khảo) 117

Bảng 4.4 - Chọn loại lớp móng trên tùy thuộc cấp quy mô giao thông 116 Bảng 4.5 - Khả năng đáp ứng yêu cầu về cường độ 117 Bảng 4.6 - Độ mài mòn BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume 118

Bảng 4.7 - Độ thấm ion clo, khả năng chống thấm nước và độ thấm xuyên sâu 119

Bảng 4.8 - Độ sụt bê tông xi măng mặt đường ô tô 119

Bảng 4.9 - Thời gian đông kết của chất kết dính 120

Bảng 4.10 - Đề xuất ứng dụng BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume trong

Bảng 4.12 - Bảng phân tích kết quả tính toán kết cấu áo đường BTXM (đường cấp III –

Bảng 4.13 - Bảng phân tích kết quả tính toán kết cấu áo đường BTXM (đường cấp IV –

Bảng 4.14 - Tổng hợp kết quả thiết kế chiều dầy tấm BTXM (mm) 126

DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ

Trang

Hình 1.1 - Vật liệu nano không chiều 7

Hình 1.2 - Vật liệu nano một chiều 7

Hình 1.3 - Vật liệu nano 2 chiều 7

Hình 1.4 - Sự tương quan giữa kích thước hạt và diện tích bề mặt trong bê tông 9

Hình 1.5 - Cấu trúc vi mô của BTXM không có nano SiO2 (a) và BTXM có nano SiO2 (b) (1,2,3 chỉ thị tinh thể CH, cụm CSH, và lỗ mao dẫn) 11

Hình 1.6 - Qúa trình thay đổi ứng suất do co ngót và phát triển cường độ chịu kéo của bê tông xi măng theo thời gian 24

Hình 2.1 - Lò hơi công nghiệp nhà máy Gạch Khối Tân Kỷ Nguyên 34

Hình 2.2 - Mẫu tro trấu được lấy từ nhà máy Gạch Khối Tân Kỷ Nguyên 34

Hình 2.3 - Mẫu tro trấu trước khi điều chế 34

Hình 2.4 - Sản phẩm tro trấu thu được nano SiO2 34

Hình 2.5 - Phổ EDX và thành phần các nguyên tố trong mẫu SiO2 35

Hình 2.6 - Giản đồ XRD của mẫu SiO2 36

Hình 2.7 - Ảnh SEM của mẫu SiO2 38

Hình 2.8 - Ảnh TEM của mẫu SiO2 38

Hình 2.9 - Sự phân tán và tan ngưng tụ của các hạt nano (a) trước khi trộn siêu âm (b) sau khi trộn siêu âm 40

Hình 2.10 - Kết quả phân tán bằng phương pháp siêu âm của các hạt silica trong nước 40

Hình 2.11 - Công tác chuẩn bị mẫu vật liệu thí nghiệm vữa xi măng 45

Hình 2.12 - Mẫu Cát lưu trữ tại kho nhà máy Xi Măng Hà Tiên 1 45

Hình 2.13 - Mẫu Cát theo TCVN 6227:1996 45

Hình 2.14 - Cối trộn và máy đo thời gian trộn tại Phòng Rectie Trường Đại học Bách Khoa Tp_HCM 46

Hình 2.15 - Khuôn mẫu vữa xi măng 47

Hình 2.16 - Đúc mẫu vữa xi măng 47

Hình 2.17 - Thiết bị dằn mẫu vữa xi măng 47

Hình 2.18 - Công tác thí nghiệm mẫu vữa xi măng 47

Hình 2.19 - Công tác thí nghiệm thiết bị dằn vữa xi măng 47

Hình 2.20 - Kiểm tra Dxòe của mẫu vữa xi măng 47

Hình 2.21 - Bố trí khoảng cách thử tải trọng 47

Hình 2.22 - Thí nghiệm cường độ uốn của mẫu 47

Hình 2.23 - Thí nghiệm cường độ nén của mẫu 47

Hình 2.24 - Biểu đồ phân tích phần dư ANOVA 48

Hình 2.25 - Ảnh hưởng các biến 49

Hình 2.26 - Biểu đồ ảnh hưởng tương tác các yếu tố đến Rku(28days) 49

Hình 2.27 - Biểu đồ đường đồng mức cường độ Rku(28days) 49

Hình 2.28 - Biểu đồ xác định giá trị max Rku(28days) 50

Hình 2.29 - Biểu đồ phân tích phần dư ANOVA 50

Hình 2.30 - Ảnh hưởng của các biến 51

Hình 2.31 - Biểu đố ảnh hưởng tương tác các yếu tố đến Rn(28days) 51

Hình 2.32 - Biểu đồ đường đồng mức cừng độ Rku(28days) 51

Hình 2.33 - Biểu đồ xác định giá trị max Rku(28days) 52

Hình 2.34 - SEM của mẫu vữa xi măng a) thông thường và SEM mẫu vữa xi măng b) sử dụng nano SiO2 52

Hình 2.35 - Máy chụp SEM hiệu JEM 1400 của hảng Jeol tại phòng thí nghiệm vật liệu nano Phân viện vật liệu xây dựng Miền Nam khu công Nghệ cao Tp_HCM 53

Hình 3.1 - Thí nghiệm cốt liệu hạt lớn, hạt nhỏ 62

Hình 3.2 - Công tác trộn và thí nghiệm độ sụt bê tông xi măng 70

Hình 3.3 - Công tác chuẩn bị đúc mẫu BTXM khuôn mẫu trộn BTXM 71

Hình 3.4 - Thí nghiệm cường độ nén và kéo uốn mẫu của các mẫu bê tông xi măng 72

Hình 3.5 - Phân tích lựa chọn số mẫu cho 1 tổ mẫu 73

Hình 3.6 - Minh họa loại bỏ số liệu ngoại lai Rn C35 theo tiêu chuẩn Grubbs – ASTM E178 74

Hình 3.7 - Biểu đồ phần dư phân tích thống kê Rn 75

Hình 3.8 - Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hưởng đến Rn 76

Hình 3.9 - Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố chính đến Rn 76

Hình 3.10 - Biểu đồ ảnh hưởng tương tác các yếu tố đến Rn 77

Hình 3.11 - Biểu đồ cường độ nén Rn bê tông cấp C30 95% CI 78

Hình 3.12 - Biểu đồ cường độ nén Rn bê tông cấp C35 95% CI 78

Hình 3.13 - Biểu đồ cường độ nén Rn bê tông cấp C40 95% CI 78

Hình 3.14 - Biểu đồ phần dư phân tích thống kê Rku 79

Hình 3.15 - Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hưởng đến Rku 79

Hình 3.16 - Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố chính đến Rku 80

Hình 3.17 - Biểu đồ ảnh hưởng tương tác các yếu tố đến Rku 81

Hình 3.18 - Biểu đồ cường độ kéo uốn Rku bê tống cấp C30, C35 và C40 95% CI 81

Hình 3.19 - Biểu đồ phần dư phân tích thống kê Rn 83 Hình 3.20 - Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hưởng đến Rn 83 Hình 3.21 - biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố chính đến Rn 84 Hình 3.22 - Biểu đồ ảnh hưởng tương tác các yếu tố đến Rn 85 Hình 3.23 - Biểu đồ cường độ nén Rn bê tống cấp C35 95% CI 86 Hình 3.24 - Biểu đồ phần dư phân tích thống kê Rku 86 Hình 3.25 - Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hưởng đến Rku 87 Hình 3.26 - Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố chính đến Rku 88 Hình 3.27 - Biểu đố ảnh hưởng tương tác các yếu tố đến Rku 88 Hình 3.28 - Biểu đồ cường độ kéo uốn Rku bê tống cấp C35 95% CI 89 Hình 3.29 - Quan hệ giữa Ens và Rn bê tông xi măng sử dụng phụ gia NS 91 Hình 3.30 - Quan hệ giữa Rns và Rku bê tông xi măng sử dụng phụ gia NS 92 Hình 3.31 - Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ nén bê tông xi măng sử dụng phụ

Hình 4.3 - Kết quả thiết kế kết cấu áo đường BTXM 126

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của việc nghiên cứu

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% [26]

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 [26] Hiện nay, khu vực miền Tây Nam Bộ 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

Bê tông xi măng là vật liệu quan trọng và phổ biến nhất trong ngành xây dựng, đồng thời tiêu thụ hầu hết xi măng được sản xuất ra trên thế giới Sử dụng khối lượng lớn xi măng làm tăng khí thải CO2 và hậu quả là phát sinh hiệu ứng nhà kính Phương pháp

để hạn chế thành phần xi măng trong hỗn hợp bê tông là sử dụng silica hạt mịn Một trong những loại bột silica có tiềm năng thay thế xi măng và phụ gia cho bê tông đó là nano SiO2 (NS) được điều chế từ tro trấu và sự kết hợp hai loại phụ gia nano SiO2 + silica Fume (SF) Tuy nhiên, hiệu quả thương mại của NS và SF là tổ hợp của nhiều yếu tố phức tạp, bao gồm quá trình làm sạch và sản xuất phức tạp đã khiến cho tính ứng dụng của loại vật liệu này vào ngành công nghiệp xây dựng còn hạn chế

Nghiên cứu về công nghệ nano lần đầu tiên được giới thiệu bởi người đoạt giải Nobel Vật lý Richard Feynman tại Viện Công nghệ California (Feynman, 1960) Một sự phát triển đáng kể lĩnh vực công nghệ nano và vật liệu nano đã diễn ra trong thế kỷ qua, đặc

biệt là trong hai thập kỷ gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học khác như vật lý

và hóa học cũng như sự phát triển của thiết bị và kỹ thuật thử nghiệm Định nghĩa của

"công nghệ nano" phụ thuộc vào lĩnh vực mà nó nghiên cứu đến Nhưng về cơ bản nó được định nghĩa là sự hiểu biết, kiểm soát và tái cấu trúc của vật chất ở quy mô nanomet (tức là dưới 100nm) để tạo ra vật liệu có tính chất và chức năng mới Cải tiến nano vào

bê tông có thể được thực hiện thông qua kết hợp của các hạt nano phù hợp hoặc ống nano vào bê tông, do đó sẽ cải thiện được đặc tính cơ học, nhiệt và độ bền của bê tông Nano SiO2 và silica Fume cũng thuộc cùng một loại và khả năng áp dụng thực tế của việc sử dụng hai loại phụ gia này trong ngành công nghiệp xây dựng là cao hơn nhiều

so với vật liệu nano khác [52]

Từ lâu, vật liệu silica được biết đến với những ứng dụng tuyệt vời như làm vật liệu xúc tác, vật liệu điện môi, chất hấp phụ khí, hấp phụ ion kim loại nặng, chất vô cơ [62]

Để chế tạo loại vật liệu này có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như Sol-gel, kết tủa hóa học, phương pháp vi nhũ tương và kỹ thuật thủy nhiệt [85] 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 Tây Nam Bộ nói riêng là quốc gia sản xuất gạo đứng thứ hai trên thế giới với sản lượng gạo ước tính trung bình đạt khoảng 42 triệu tấn trên năm [81] Trấu sau khi cháy, các thành phần hữu cơ bị phân hủy và thu được tro trấu Tro trấu là một trong những nguyên liệu giàu silica nhất đạt khoảng 85% đến 98% về khối lượng nên nó là nguồn nguyên liệu lý tưởng để tổng hợp vật liệu Silica [81] 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 [51] 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 [5][6]

Nguồn tro trấu khu vực miền Tây Nam Bộ là phế phẩm nông nghiệp hiện nay rất nhiều và đang gây ô nhiễm môi trường Việc sử dụng nguồn tro trấu để điều chế thành phụ gia NS ứng dụng vào trong BTXM cũng đã được nhiều tác giả nghiên cứu Nhưng

sự kết hợp hai loại phụ gia NS+SF sẽ làm tăng các chỉ về mặt cơ học và hóa học của BTXM làm mặt đường ô tô thì chưa có nghiên cứu chuyên sâu ở Việt Nam

Vì vậy, tác giả chọn tên luận án luận án “Nghiên cứu vật liệu nano SiO 2 điều chế

từ tro trấu và silica Fume làm phụ gia cho bê tông xi măng trong xây dựng đường ô

tô khu vực miền Tây Nam Bộ” là cần thiết, mang tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và

thực tiễn

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

- Thông qua quá trình điều chế vật liệu tro trấu thành sản phẩm phụ gia NS Qua đó ứng dụng vật liệu nano SiO2 vào trong thành phần vữa xi măng và bê tông xi măng

- Xác định tỉ tệ hợp lý sử dụng phụ gia NS và sự kết hợp hai loại phụ gia NS+SF trong thiết kế thành phần BTXM theo yêu cầu về cường độ

- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá các đặc trưng cường độ, mô đun đàn hồi, độ thấm ion clo, độ mài mòn, hệ số giãn nở nhiệt (CTE), độ thấm nước và chiều sâu thấm của các loại BTXM sử dụng phụ gia NS và phụ gia kết hợp NS+SF

- Đề suất khả năng ứng dụng của BTXM sử dụng phụ gia NS và phụ gia kết hợp NS+SF trong thiết kế và thi công áo đường cứng khu vực miền Tây Nam Bộ

3 Phạm vi nghiên cứu của luận án

- Tính toán thiến kế thành phần mẫu vữa xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2

- Tính toán thiết kế thành phần bê tông xi măng sử dụng các phụ gia nano SiO2 và phụ gia kết hợp NS+SF

- Thí nghiệm xác định các đặc trưng cường độ, khả năng chống mài mòn, mô đun

đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt (CTE), độ chống thấm ion clo, chống thấm nước, của các loại bê tông sử dụng phụ gia NS và phụ gia NS+SF

- Tính toán các dạng kết cấu mặt đường BTXM sử dụng phụ gia NS và phụ gia

NS+SF ứng dụng mặt đường ô tô khu vực miền Tây Nam Bộ theo QĐ 3220 [28]

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

- Phương pháp phân tích đánh giá

5 Bố cục của luận án

Luận án gồm có phần Mở đầu, tiếp theo là 4 Chương, phần Kết luận và Kiến nghị, danh mục các công trình tác giả đã công bố, danh mục tài liệu tham khảo Cụ thể là:

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan về vật liệu nano SiO2 và silica Fume làm phụ gia cho bê tông

xi măng trong xây dựng mặt đường ô tô

- Chương 2: 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

- Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm phụ gia nano SiO2 và silica Fume nâng cao tính năng của bê tông xi măng

- Chương 4: Nghiên cứu bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica Fume trong kết cấu mặt đường ô tô khu vực miền Tây Nam Bộ

- Phần kết luận và kiến nghị

- Danh mục các công trình tác giả đã công bố

- Tài liệu tham khảo

- Phụ lục đính kèm

6 Những đóng góp mới của luận án

- Tận dụng nguồn phế thải tro trấu của các nhà máy sản xuất gạch khu vực miền Tây Nam Bộ, thông qua quá trình điều chế thu được sản phẩm nano SiO2 thích hợp cho việc làm chất phụ gia vữa xi măng và BTXM

- Nghiên cứu đề xuất bảng cấp phối của vữa xi măng theo tỉ lệ NS (0.5 ÷ 2.0)%, tìm

ra phương trình hồi quy Rn, Rku ở tuổi 28 ngày và biến tỉ lệ phụ gia NS max lớn nhất, làm cơ sở lựa chọn tỉ lệ thích hợp trong phạm vi thực nghiệm BTXM

-Đã thí nghiệm để đưa ra các thông số chủ yếu về cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn, khả năng chống thấm ion clo, hệ số thấm và độ thấm sâu của BTXM; tính công tác của BTXM cấp C35 sử dụng phụ gia NS và BTXM

sử dụng kết hợp phụ gia NS+SF trong kết cấu mặt đường ô tô; đề xuất cấu tạo các dạng kết cấu mặt đường ô tô BTXM sử dụng phụ gia NS và BTXM sử dụng kết hợp phụ gia NS+SF Kiến nghị và phạm vi áp dụng

- Thực nghiệm tìm ra hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của bê tông xi măng cấp C35 sử dụng phụ gia NS là 10,408.10-6/0C; BTXM kết hợp phụ gia NS+SF là 7,967.10-6/0C; BTXM thông thường là 10,797.10-6/0C

- Đề xuất ứng dụng kết cấu mặt đường BTXM khu vực miền Tây Nam Bộ:

+ Chiều dài tấm khi dùng BTXM sử dụng phụ gia NS và BTXM sử dụng kết hợp phụ gia NS+SF cho mặt đường BTXM có thể lên đến 5m, tăng 10% so với qui định hiện hành;

+ Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của tấm BTXM có sử dụng phụ gia NS và tấm BTXM

có sử dụng phụ gia kết hợp NS+SF có ảnh hưởng đến kết quả tính toán ứng suất nhiệt gây mỏi [σtr] Hệ số này có khả năng làm giảm ứng suất nhiệt trong tấm, giảm vết nứt

và tăng chiều dài tấm BTXM

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Tận dụng vỏ trấu là sản phẩm nông nghiệp được đốt lấy nhiệt cho các nhà máy sản suất công nghiệp khu vực miền Tây Nam Bộ, phế thải tro trấu còn được tận dụng để làm phụ gia nano SiO2 sử dụng vào trong vữa xi măng và bê tông xi măng

- Mặt đường BTXM khi có sử dụng phụ gia NS và phụ gia NS+SF sẽ làm giảm nhiệt thủy hóa, giảm ứng suất nhiệt trong tấm nên có thể ứng dụng làm lớp BTXM cho đường

có qui mô giao thông cấp III trở xuống

- Xây dựng các công thức thành phần vật liệu và dạng kết cấu áo đường bằng BTXM

sử dụng phụ gia NS và phụ gia NS+SF có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư thiết kế, trong tương lai sẽ có nhiều công trình đường quốc lộ và đường cao tốc được xây dựng bằng vật liệu BTXM

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO SiO 2 VÀ SILICA FUME LÀM PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

Trong phần tổng quan trình bày các quy định chung đối với vật liệu BTXM làm mặt đường ô tô; khái quát về BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và phụ gia silica Fume, ảnh hưởng của phụ gia khoáng đến các đặc tính của bê tông và các công trình nghiên cứu

ứng dụng BTXM sử dụng hai loại phụ gia này trên thế giới và Việt Nam

1.1 Tổng quan về vật liệu nano và ứng dụng vật liệu nano trong bê tông

1.1.1 Định nghĩa vật liệu nano

Công nghệ và 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 cac-bon, 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

1.2 Nghiên cứu ứng dụng phụ gia nano SiO 2 và silica Fume cho bê tông xi măng 1.2.1 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO 2 và silica Fume trên thế giới

1.2.1.1 Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano SiO 2 vào trong bê tông

Bê tông là một loại vật liệu composite CHS là một thành phần rất quan trọng nó quyết định tính năng của bê tông, bản thân nó cũng là một vật liệu nano, cùng với các mao mạch và thể tích nước lấp đầy ở kích thước nano Như là một kết quả, sự vận động

ở cấp độ nano trong bê tông có thể dẫn đến các tác động quan trọng đến tính chất của

bê tông ở cấp độ vĩ mô Nói một cách khác những thay đổi ở cấp độ nano ảnh hưởng

đến tính chất của công trình sử dụng vật liệu khối [57]

Sự cải thiện cấp độ nano của bê tông có thể được thực hiện thông qua sự tích hợp của vật liệu nano dạng hạt hoặc ống nano vào trong bê tông, điều này giúp nâng cao nhiều tính năng của bê tông Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng có những khả năng cải tiến các tính năng của bê tông thông qua sự tích hợp một vài vật liệu nano bao gồm nano SiO2, nano TiO2, nano Fe2O3, nano Al2O3, các lớp nano như là ống nano Carbon (CNT) với tỉ lệ phù hợp và phương pháp trộn để phân tán phù hợp với từng loại Luận án tập trung vào những tác động tiềm năng của nano SiO2 đến bê tông

Khi so sánh với các vật liệu nano khác như ống nano Carbon (CNT) và nano TiO2 nano SiO2 là một vật liệu pozzolanic Phản ứng pozzolanic có thể làm tăng khả năng phát triển cường độ bê tông hơn các vật liệu nano không pozzolanic khác Mặt khác, muội silic là một dạng khác của silica, được sử dụng trong ngành công nghiệp xây dựng

ở quy mô lớn để sản xuất bê tông tính năng cao hiện nay Như vậy nano SiO2 cũng thuộc loại vật liệu tương tự và có một sự tương đồng với muội silic, khả năng áp dụng thực tế của việc sử dụng nano SiO2 trong ngành công nghiệp xây dựng là cao hơn nhiều

so với các vật liệu nano khác

Hình 1.4 dưới đây cho thấy sự phân bố kích thước hạt có trong bê tông thông thường

so với các bê tông HPC/HSC và bê tông thiết kế có chứa nano SiO2 [66] HPC/HSC là kết quả của sự cải tiến cấu trúc đá xi măng đã thủy hóa thông qua sự tích hợp muội silic

và các vật liệu pozzolanic khác vào bê tông truyền thống, sự phân bố kích thước hạt của HPC/HSC từ kích thước cỡ milimét lên đến khoảng 100nm Hình 1.4 cũng cho thấy phạm vi mà bê tông với thiết kế nano, có thể thấy rằng các hạt nano SiO2 có một diện tích bề mặt rất cao, làm tăng phạm vi của sự phân bố kích thước hạt của bê tông lên đến cấp độ khoảng 5nm

Hình 1.4 - Sự tương quan giữa kích thước hạt và diện tích bề mặt trong bê tông

Muội silic (silica Fume) là một sản phẩm phụ của sản xuất Silicon và thép hợp kim silicon Mức độ tinh khiết của muội silic có thể phụ thuộc vào nguồn gốc của nó, do đó, ảnh hưởng của nó trên bê tông có thể khác nhau Một yếu tố quan trọng là kích thước hạt của muội silic cũng phụ thuộc vào các nhà sản xuất và phương pháp sản xuất, thường

có đường kính trung bình 10nm Ngược lại với muội silic, nano SiO2 không phải là một sản phẩm phụ công nghiệp Nó được sản xuất trong điều kiện đặc biệt làm nano SiO2

có độ tinh khiết cao và phạm vi đường kính được xác định rõ cho các hạt (thông thường trong vòng 10-50nm) Nano SiO2 có thể thu được ở dạng bột hoặc trong một dung dịch keo Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng nano SiO2 và muội SiO2 có hoạt tính khác nhau

và sản xuất các sản phẩm hydrat hóa khác nhau

Như đã đề cập ở trên các loại bê tông tính năng cao (HPC) là sự cải tiến cấu trúc của

hồ xi măng đã được thủy hóa thông qua sự tích hợp muội silic vào bê tông truyền thống Muội silic là loại vật liệu pozơlan, nó có khả năng phản ứng với CH tạo ra trong quá trình thủy hóa xi măng để tạo ra CHS nhiều hơn Nhưng phản ứng của muội silic rất chậm ở tuổi sớm Mitchell et.al [70] đã nghiên cứu các mô hình nhiễu xạ tia X của muội silic trong môi trường Ca(OH)2 bão hòa và đã kết luận rằng chỉ có những thay đổi nhỏ

trong các mẫu 7 ngày, và sự hình thành CHS một cách rộng rãi chỉ bắt đầu từ 120 ngày Theo Li [68] lượng muội silic phản ứng chậm, sau 90 ngày chỉ là 75% Sự ảnh hưởng của nano SiO2 đến tính chất đông cứng được chỉ ra bởi Ye et.al [87] Kết quả khi so sánh giữa tính năng của đá xi măng nano SiO2 với tính năng của đá xi măng sử dụng muội silic là tốt hơn Đá xi măng được thay thế bởi nano SiO2 với hàm lượng 1%, 2%, 3%, 5% được so sánh với tính năng của đá xi măng thay thế bởi muội silic 2%, 3%, và 5% Đá xi măng được thay thế 5% nano SiO2 gia tăng cường độ so với không có nano SiO2 lần lượt là 8%, 41%,25% và 15% tại 1 ngày, 3 ngày, 28 ngày và 60 ngày sau khi quá trình thủy hóa bắt đầu Tính năng của đá xi măng sử dụng muội silic với hàm lượng tương ứng thì thấp hơn đặc biệt là ở tuổi sớm Hơn nữa, cường độ kéo uốn của đá xi măng sử dụng nano được thấy là cao hơn so với mẫu đối chứng và so với cả mẫu vữa

sử dụng muội silic

Ye [87] cũng đã nghiên cứu dưới kính hiển vi bề mặt của hỗn hợp vữa-cốt liệu Thấy rằng kích thước lớn nhất của tinh thể hạt CH trong các mẫu giảm từ 10µm ( mẫu vữa đối chứng) xuống còn 4 µm (mẫu vứa với 3% nano silica) Kích thước tinh thể CH của mẫu với 3% muội silic là 7 µm Như vậy có thể kết luận được rằng nano SiO2 làm giảm tinh thể CH trên tại bề mặt hiệu quả hơn muội silic, và phản ứng puzơlan của nano SiO2 mạnh mẽ hơn

Một vài các nghiên cứu khác cũng chỉ ra sự gia tăng đặc tính cường độ của vật liệu

sử dụng xi măng khi sử dụng nano SiO2 như là vật liệu thay thế xi măng, và các tính năng đều cao hơn khi so sánh với sử dụng muội silic [63][69] Nghiên cứu của Jo [63]

đã cho thấy cường độ chịu nén của vữa gia tăng đáng kể với chất phụ gia nano SiO2 so với muội silic

Li et.al [68] đã tiến hành các thí nghiệm về ảnh hưởng của các hạt nano với đá xi măng và báo cáo rằng cường độ chịu nén và chịu uốn có thể tăng Thông qua phân tích dưới kính hiển vi SEM của các mẫu đá xi măng, đã đưa đến kết luận rằng nano SiO2 cải thiện được cấu trúc vi mô của đá xi măng Hình 1.5 (a) và hình 1.5 (b) là hình ảnh dưới kính hiển vi của đá xi măng đã thủy hóa không có và có nano SiO2, được trích từ

Li et al [68] Những hình ảnh này cho thấy rằng các cụm CHS đứng riêng lẻ trong cấu trúc và được kết nối bằng các hydrates hình kim Lượng hydrates và kích thước lỗ mao dẫn của mẫu không có nano silica thì cao hơn Đá xi măng sử dụng nano SiO2 thấy là

đặc chắc hơn, cấu trúc chắc hơn và kích thước lỗ mao dẫn giảm Kết quả là kích thước

và hàm lượng của CH và trạng thái xốp tổ ong bị giảm xuống và sản phẩm CHS tăng thêm [68]

Hình 1.5 - Cấu trúc vi mô của BTXM không có nano SiO 2 (a) và BTXM có nano SiO 2 (b)

(1,2,3 chỉ thị tinh thể CH, cụm CSH, và lỗ mao dẫn)

Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng có hai loại CHS được hình thành trong quá trình thủy hóa xi măng, CHS có tỉ trọng cao và CHS có tỉ trọng thấp (Jennings et al., 2008) Thông qua thí nghiệm độ cứng vi mô, đã chỉ ra rằng độ cứng của CHS tỷ trọng cao lớn hơn độ cứng của CHS có tỉ trọng thấp [58] Kết quả là sự tạo thành CHS có tỉ trọng lớn thích hợp để tạo thành cường độ và độ cứng của bê tông Sự ảnh hưởng của nano SiO2 tới sự hình thành 2 loại CHS đã được tiến hành nghiên cứu bởi Mondal et.al [71] Kết luận được đưa ra là nano SiO2 không ảnh hưởng tới môđun đàn hồi và độ cứng của 2 loại CHS Tuy nhiên tỉ lệ thể tích của CHS có độ cứng cao tăng lên 50% khi mà nano SiO2 thay thế 18% khối lượng xi măng Kết quả này trong một loại đá xi măng cường

độ cao hơn và bền hơn [71]

Độ xốp là một tham số có ảnh hưởng lớn tới cường độ cũng như độ bền của đá xi măng Độ xốp càng nhỏ thì khả năng chống lại các tác động cơ học càng cao của đá xi măng và cường độ cũng cao hơn Sự ảnh hưởng của các loại nano SiO2 trong các dạng keo phân tán và dạng bột trong tính chất của đá xi măng bao gồm cả độ xốp được nghiên cứu bởi Gaitero et.al [71] Xác định được rằng các mẫu với nano silica trong bất cứ dạng nào đều giảm được độ xốp khi so sánh với các mẫu đối chứng, cả cường độ chịu nén và các đặc tính thủy phân Sự giảm độ xốp được là do nano SiO2 hoạt động như

là chất độn siêu mịn để lấp đầy các khoảng trống có trong đá xi măng Mặc dù kích thước hạt của chúng tương đối nhỏ để lấp đầy các khoảng trống, chúng đóng vai trò

là hạt nhân cho sự phát triển các sản phẩm thủy hóa bao quanh chúng, như vậy giảm được độ xốp

Jo et.al [63] đã chỉ thêm rằng chất phụ gia nano SiO2 sẽ làm gia tăng nhiệt độ trong tiến trình ninh kết và đông cứng của xi măng Nghiên cứu trên đã thực nghiệm đa dạng các hàm lượng nano SiO2 và hàm lượng siêu dẻo khác nhau để sao cho không xảy ra sự tách nước và phân tầng Khi hàm lượng siêu dẻo cao có thể có ảnh hưởng tiêu cực đến nhiệt lượng của đặc tính thủy hóa, thì hỗn hợp nano lại cho thấy sự cải thiện đặc tính thủy hóa

Tính thấm nước và lượng nước hấp phụ của bê tông là hai đặc tính ảnh hưởng đến

độ bền Đặc tính thấm nước của bê tông sử dụng nano SiO2 đã được nghiên cứu bởi Ji [61] Kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng nano SiO2 cải thiện khả năng chống thấm nước của bê tông Các hỗn hợp sử dụng nano SiO2 đã chịu một áp lực nước (3.2MPa) cao hơn bê tông tông thông thường (0.5MPa) không có thấm nước bất thường Ji [61] đã sử dụng kính hiển vi SEM để xác minh kết quả Khanzadi et.al [65] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nano SiO2 đến tính chất cơ học và lượng nước hấp phụ của bê tông Với 1.5% khối lượng thay thế xi măng bằng nano SiO2, cường độ chịu nén và kéo (ép chẻ) đều tăng Bê tông sử dụng nano cũng đã chỉ ra rằng phần trăm lượng nước hấp thụ giảm khi so sánh với mẫu đối chứng Trong khi phản ứng pozzolanic xảy ra mạnh hơn bởi nano SiO2, lượng tinh thể CH sẽ giảm, hình thành CHS đặc chắc, bởi vậy giảm được

độ rỗng và vữa Kết quả của những ảnh hưởng trên là lượng nước hấp phụ giảm và các đặc tính cường độ cao hơn

Theo nghiên cứu, khi các hạt nano SiO2 được phân tán không tốt trong đá xi măng, chúng sẽ tích tụ hoặc tạo thành đám Đó có thể là do sử dụng lượng hạt nano lớn, hoặc không sử dụng kỹ thuật phân tán Những đám hạt nano này có thể tạo thành các vùng yếu trong vật liệu dẫn đến giảm cường độ và tăng độ xốp [69] Những nghiên cứu tiếp theo cũng nên tìm ra hàm lượng nano SiO2 tối ưu có thể trộn được, và phương pháp trộn phù hợp nhất

• Mô hình tính năng của bê tông nano

Như đã trình bày ở trên, các kết quả thực nghiệm đã xác định rằng nano SiO2 cải thiện được các tính năng cơ học và độ bền của bê tông Tuy nhiên, thực tế các nghiên cứu về phân tích mô hình bê tông sử dụng vật liệu nano đều đi vào ngõ cụt Hơn nữa,

công việc tiến hành mô hình tính năng của bê tông sử dụng nano bị hạn chế Với sự phức tạp vốn có của bê tông và sự không rõ ràng trong ứng xử của nó ở cấp độ nhỏ hơn, việc phân tích mô hình tính năng của bê tông là một thử thách Tuy nhiên, với những cải tiến trong thiết bị đo đạc và phân tích kỹ thuật, sự hiểu biết về tính chất cơ bản của

đá xi măng thủy hóa đã được phát hiện

Trong khi sự khác biệt về kích thước giữa các thành phần vật liệu của bê tông là rất lớn, việc xây dựng mô hình tính năng trực tiếp ở cấp độ vĩ mô là không có khả năng Không thể đạt được ứng xử của vật liệu ở một chiều dài nhỏ hơn Sự phân chia cấp độ kích thước đã được cân nhắc như là phương pháp hiệu quả để xây dựng mô hình bê tông Tức là phân tích tính năng của bê tông ở các quy mô khác nhau; đá xi măng (ở vi mô), vữa (tại quy mô vừa) và bê tông (ở tầm vĩ mô) Khi mô hình các tính chất của

bê tông, theo tài liệu, cách hiệu quả nhất đã sử dụng là tổng hợp ở các quy mô khác nhau bằng việc sử dụng kĩ thuật tăng cấp Cấp độ nhỏ hơn được mô hình hóa trước với các tính chất mong đợi được tính toán, và kết quả nhận được chính là thông số đầu vào của cấp độ tiếp theo

Có hai phương pháp khác nhau về mô hình bê tông, phương pháp tổng hợp lý thuyết

và phương pháp phần tử hữu hạn Trong phần dưới đây, sẽ đưa ra các đánh giá dựa trên

2 cách tiếp cận trên Trong cả 2 trường hợp, vật liệu không đồng nhất được thay thế bằng vật liệu đồng nhất tương đương ở các cấp độ chiều dài của hạt Các phân tích được thực hiện trên các mẫu đồng nhất tương đương cái mà dùng thống kê để miêu tả vật liệu không đồng nhất, cái mà được biết như Đơn vị thể tích đại diện (RVE) hay đơn vị tế bào vật liệu

• Lý thuyết đồng nhất

Lý thuyết đồng nhất là phương pháp thu được ứng xử vĩ mô của bê tông dựa trên kiến trúc vi mô của nó Bê tông là vật liệu không đồng nhất, được thay thế bằng vật liệu đồng nhất liên tục tương đương Các phân tích được thực hiện bằng thống kê trên các mẫu đại diện, cái mà được biết như RVE ( thể tích nguyên tố mang tính đại diện) với các đặc tính chiều dài vốn là yếu tố cần thiết để phân tách qui mô [74]

Có rất nhiều lý thuyết dựa trên kỹ thuật đồng nhất tiên tiến được đề xuất để mô hình hóa tính năng của vật liệu composite Bao gồm các mô hình của Eshelby (Eshelby, 1957), Hashin (Hashin, 1962), Mori và Tanaka (Mori and Tanaka, 1973) và phương

pháp tiếp cận tự đóng rắn của Hill (Hill, 1965) Khi đánh giá phân tích mô hình thực dựa trên thuyết đồng nhất, một vài mô hình đưa ra các đánh giá cho tính chất ở cấp độ

vĩ mô trong khi một vài mô hình khác đưa ra điều kiện biên của các tính chất [56].Ví

dụ, mô hình dự đoán bởi lý thuyết tự đóng rắn và lý thuyết Mori Tanaka đưa ra ước tính

về mô đun đàn hồi của vật liệu Sơ đồ tự đặc chắc được ứng dụng khi mô hình hóa vi cấu trúc đa tinh thể, khi tạp chất là hình elip và mật độ thấp [67] Lý thuyết Mori Tanaka được sử dụng khi một giai đoạn ma trận liên tục bao quanh tất cả các giai đoạn khác (Sanahuja et al., 2007) Một vài mô hình dự đoán điều kiện biên cho các tính chất dẻo như phương pháp của Voigt và Reuss, Hashin-Shtrikman [67]

Có một vài mô hình thực cho bê tông được phát triển dựa trên các mô hình cơ bản Các mô hình được kết hợp một cách hợp lý để dự đoán tính chất đàn hồi (môđun độ lớn, môđun cắt) của đá xi măng [74] Các kết quả tính chất đàn hồi đồng nhất được sử dụng như đầu vào cho các cấp độ tiếp theo của mô hình, tức là thực hiện mô hình của vữa và bê tông Tuy nhiên, cho đến nay, tính năng của bê tông nano đã không được

nghiên cứu sử dụng phương pháp này

• Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Phương pháp phần tử hữu hạn là một lựa chọn phù hợp để dự báo tính chất cơ học của bê tông Mặc dù không nhiều thực hiện cho đá xi măng, nhưng đây là cách tiếp cận

để mô hình hóa tính năng cho vữa và bê tông [67] Mặc dù không nhiều thực hiện cho

đá xi măng mô hình, hiệu suất của vữa và bê tông đã được mô phỏng bằng các phương pháp này [67] Mặc dù nó là một phương pháp ít được áp dụng để có được các tính chất

cơ học của vật liệu không đồng nhất, song nó là một phương pháp hiệu quả do khả năng của phân tích cấu trúc trong 2D cũng như trong các hình thức 3D, với điều kiện cấu trúc

và điều kiện biên được mô phỏng với mức độ chính xác cao Không giống như các phương pháp đồng nhất chỉ kết thúc với việc tính toán tính chất đàn hồi, phương pháp FEM có thể được sử dụng để dự đoán quan hệ ứng suất biến dạng của vật liệu Khi so sánh với ứng dụng lý thuyết đồng nhất trong mô hình hóa, Phương pháp FEM có các lợi thế như số lượng phương pháp nơi mà các tính chất vĩ mô được tính toán thông qua giá trị thể tích trung bình của số lượng giải pháp thu được cho một phần tử đại diện (RVE) Cũng nên có tư duy rằng phương pháp đồng nhất đưa ra ước tính hoặc điều kiện biên cho tính chất vĩ mô và các giả định để thực hiện mô hình hóa, kết quả là có thể tính

toán nhiều tính chất với giá trị độ có chính xác cao [56] Nhưng phương pháp FEM cần tính toán nhiều và thời gian

Bê tông sử dụng nano SiO2 là một cách tiếp cận mới và vẫn chưa thực hiện ở công trình có qui mô lớn nào Mặc dù kĩ thuật thực nghiệm về ảnh hưởng của nano SiO2 đến tính chất của bê tông đã và đang được tiến hành rộng rãi, số lượng mô hình hóa tính năng còn ở giai đoạn mở đầu Kim et.al khuyên rằng một mô hình cho đá xi măng tích hợp nano SiO2 để dự báo cường độ và độ cứng [63] Thông qua việc tính toán tỷ lệ thể tích trong các giai đoạn của quá trình thủy hóa xi măng và điều chỉnh số lượng có thể phản ánh được hiệu quả của nano SiO2, và thu được đường cong ứng suất- biến dạng cho đá xi măng nano Các tính năng của nano silica đã được mô hình hóa cân nhắc số lượng tương đương muội silic có diện tích bề mặt tương ứng, và áp dụng các lý thuyết

có thực cho tính năng của muội silic Tuy nhiên cần lưu ý rằng phản ứng puzơlan nano SiO2 và muội silic là khác nhau, tỷ lệ các thể tích của CHS có độ cứng cao và CSH có

độ cứng thấp không giống như của 2 loại vật liệu Nếu các nghiên cứu xem xét khía cạnh này thì tính phù hợp của các mô hình sẽ được cải thiện nhiều [71]

K Sobolev nhận ra rằng bằng cách sử dụng vật liệu nano SiO2, độ bền, độ cứng của

bê tông xi măng có thể được tăng lên Gần đây nhất là Brian Green đã sử dụng nano SiO2 để giảm tính thấm và tăng cường độ chịu nén của bê tông xi măng [53]

Một số tính chất của xi măng Portland III được thay thế bằng nano silica với tỷ lệ phần trăm 1, 3, 5 và 10% đã được đánh giá Kết quả cho thấy nano SiO2 từ 5% bắt đầu

có ảnh hưởng tích cực đến cường độ của vữa và với 10% cải thiện cường độ nén so đối với mẫu đối chứng [49]

Mostafa và Brown [50] cho rằng, vai trò chủ yếu của xi măng Portland đang trở nên

ít hơn và đã dần dần nhường chỗ cho xi măng hỗn hợp, điều này chủ yếu là vì lý do môi trường, kinh tế và công nghệ Với nano SiO2, một số tác giả đã nghiên cứu các hiệu ứng vật lý khi đưa vào sử dụng trong xi măng, nhưng kết quả của các nghiên cứu cho thấy

có một số mâu thuẫn đòi hỏi phải nghiên cứu vấn đề này chi tiết hơn

Các nhà khoa học tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Cơ khí Đại học Wisconsin- Milwaukee, Mỹ và Đại học Autonoma Nuevo Leon, Mexico cũng đã tiến hành nghiên cứu về các vật liệu xây dựng tiên tiến có độ bền cao, ứng dụng các loại phụ gia hóa học

và vật liệu nano trong bê tông Đã có những báo cáo về nghiên cứu kiểm tra tính chất

cơ học của hỗn hợp bê tông với nano SiO2 tổng hợp bằng phương pháp sol-gel Kết quả thực nghiệm cho thấy sự gia tăng cường độ nén của vữa với phát triển nano hạt ở giai đoạn đầu, tiếp theo là giảm cường độ ở độ tuổi sau (so với tài liệu tham khảo) Bổ sung các phụ gia siêu dẻo đã được đề xuất để vượt qua trở ngại này Hỗn hợp Superplasticized với lựa chọn nano SiO2 làm tăng 15-20% cường độ nén, đạt lên đến 144,8 MPa ở tuổi

90 ngày Xi măng hiệu suất cao thể hiện cường độ nén 28 ngày ở phạm vi 93-115MPa, cao hơn 72-89MPa cường độ xi măng thông thường [53]

1.2.1.2 Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu silica Fume vào trong bê tông

P.Vinayagam (2012) đã tiến hành thí nghiệm với SF thay thế xi măng từ 0 đến 15%

và phụ gia siêu dẻo cho bê tông tính năng cao Các hỗn hợp bê tông tính năng cao được kiểm tra thực nghiệm cho tính công tác, cường độ nén, khả năng chịu kéo và uốn thì kết quả thí nghiệm của các hỗn hợp bê tông thiết kế này là rất tốt, đảm bảo các tính năng yêu cầu của bê tông đặt ra [75]

Hooton (1993) đã tiến hành các thí nghiệm bằng việc thay thế xi măng bằng SF và thí nghiệm nghiên cứu tính chất cơ lý và độ bền của bê tông khi đóng băng và băng tan,

độ bền Sunphát và phản ứng kiềm-silica Qua thí nghiệm thấy rằng, với việc thay thế 15% Silica fume, với liều lượng dùng phụ gia siêu dẻo hợp lý cho cấp phối bê tông có

tỷ lệ N/X = 0.35 thì cường độ nén ở tuổi 28 ngày là cao nhất, đạt được các yêu cầu về tính bền đặt ra của bê tông thiết kế [59]

V Yogendran và Langan (Yogendran và Langan, 1982) đã khảo sát về bê tông cường

độ cao sử dụng Silica Fume với tỷ lệ nước/chất kết dính là 0,34 (N/X = 0,34) và tỷ lệ thay thế của SF từ 0 đến 25%, với lượng thay đổi phụ gia siêu dẻo Kết quả thí nghiệm cho thấy lượng dùng thay thế SF tối đa 15% là hợp lý nhất [82]

Annadurai và Ravichandran (Annadurai và Ravichandran, 2014) đã tiến hành thí nghiệm đối với cấp phối bê tông cường độ cao thiết kế với các loại phụ gia; một số tỷ

lệ dùng phụ gia siêu dẻo khác nhau với một khoảng từ 0,6 ÷ 0,9%, với mức tăng cho mỗi cấp phối thí nghiệm là 0,1% Kết quả thí nghiệm cho thấy việc bổ sung SF tăng cường độ nén và giảm độ sụt của bê tông [47]

Theo Shanmugavalli [78], cấp phối sử dụng 10% silica Fume thay thế xi măng sẽ cải thiện đáng kể khả năng chịu nén của bê tông do có hàm lượng pozzolanic tự nhiên cao, giúp phản ứng với calcium hydroxide để hình thành thể gel calcium silicat hydrate tăng cường cơ học cho bê tông

1.2.2 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO 2 và silica Fume ở Việt Nam

1.2.2.1 Phụ gia khoáng silica từ tro trấu và nano SiO 2 từ tro trấu

Vỏ gạo 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 SiO2 nhất, đạt khoảng 80 đến 90% về khối lượng nên nó là nguồn nguyên liệu lý tưởng để tổng hợp vật liệu SiO2 [81]

Lúa sau thu hoạch sẽ được xử lý thành 02 phần chính: Một phần là thành phẩm chính như: gạo, tấm và cám Phần thứ hai phế phẩm là vỏ trấu Vỏ trấu ở nông thôn thường được tận dụng để làm chất đốt của người dân hoặc làm chất đốt cho nhà máy nhiệt điện hoặc dùng trộn với phân trâu, bò làm phân bón cho cây Tuy nhiên, với một sản lượng lớn vỏ trấu thải ra hàng năm rất lớn, việc tận dụng một cách có hiệu quả có ý nghĩa rất lớn đối với môi trường và bài toán kinh tế Như chúng ta biết, trong tro trấu, hàm lượng SiO2 đạt đến khoảng 90% và vật liệu SiO2 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 mang vô cơ, 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 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 SiO2 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 Vỏ trấu sau khi cháy, các thành phần hữu cơ bị phân hủy và thu được tro trấu [81]

Khối lượng trấu phát sinh nhiều, với cách tận dụng trấu theo kiểu truyền thống làm chất đốt, phân bón,…lượng tro trấu chỉ được tiêu thụ với số lượng rất nhỏ Trấu thải ra

từ các nhà máy xay xát không nơi tiêu thụ, không kho bãi chứa chỉ còn cách đổ xuống kênh rạch, sông ngòi Hậu quả làm ô nhiễm môi trường nước và mùi hôi làm ảnh hưởng đến sinh hoạt của người dân Do vậy, phải tính đầu ra cho trấu Đã có hàng loạt những công trình nghiên cứu, tận dụng nguồn trấu khổng lồ của vựa lúa lớn nhất nước làm nguyên liệu để phục vụ sản xuất, đời sống được triển khai thực tế Và nhiều doanh nghiệp, cơ sở sản xuất, người dân đã làm giàu từ nguồn phế phẩm này Song vẫn không tiêu thụ hết được, vì khối lượng trấu phát sinh ra quá lớn Thêm vào đấy, nông nghiệp nước ta còn mang tính nhỏ lẻ nên gặp khó khăn trong việc thu gom Vì vậy trấu thải ra

vẫn cứ tồn tại như một loại chất độc, đe doạ từng ngày cuộc sống và môi trường vẫn

diễn ra ở khu vực miền Tây Nam Bộ

Đối với sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi, trấu cũng được sử dụng rất thường xuyên Thông thường trấu là chất đốt dùng cho việc nấu thức ăn, nấu rượu và một lượng lớn trấu được dùng nung gạch trong nghề sản xuất gạch tại khu vực miền Tây Nam Bộ Một số công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước được tóm tắc như sau:

Luận án tiến sĩ Trần Thị Thu Hà (2010) giảng viên bộ môn đường bộ - Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, cũng đã nghiên cứu thành công tro trấu ứng dụng làm

“Bê tông xi măng sử dụng đá vôi và các chất độn có chứa hàm lượng ôxít silic cho điều kiện Việt Nam” [8] Tác giả cũng đưa ra một số kết quả nghiên cứu về cường độ Rn và Rku, sự thay đổi về cốt liệu trong hỗn hợp của bê tông xi măng dùng phụ gia khoáng tro trấu có kích thước hạt μm

TS Đào Văn Đông (2008) “Ảnh hưởng của phụ gia tro trấu đến các tính chất của bê

tông cường độ cao” tạp chí Cầu Đường Việt Nam, số 9+10, trang 26-32 [5]

TS Đào Văn Đông – Viện Khoa học & Công nghệ Xây dựng Giao thông - Trường Đại học Giao thông Vận tải công bố công trình “Nghiên cứu góp phần hoàn thiện công nghệ sản xuất phụ gia tro trấu ở Việt Nam” tạp chí khoa học Giao thông Vận tải số 29 tháng 03/2010 [6] Bài báo kết luận như sau:

+ Chất thải vỏ tro trấu là nguồn sinh khối sạch, tái tạo đầy tiềm năng ở Việt Nam, đồng thời cũng là nguồn nguyên liệu phong phú để sản xuất ra phụ gia khoáng tro trấu cho các ứng dụng công trình xây dựng, giảm thiểu ô nhiểm môi trường từ vỏ tro trấu gây ra

+ Chế độ đốt khống chế nhiệt và không khí là cơ sở để sản xuất được phụ gia tro trấu chất lượng đảm bảo Tác giả đã xây dựng một loại lò đốt trấu quy mô thử nghiệm nhằm tạo ra loại sản phẩm phụ gia khoáng puzơlan hoạt tính

+ Cơ chế đốt vỏ trấu tầng sôi vào các nhà máy nhiệt điện chạy trấu ở Việt Nam là hoàn toàn có thể thực hiện được thông qua việc khống chế nhiệt độ đốt trong khoảng

5000C đến 7000C, tro trấu sau khi đốt được nghiền ở 3 chế độ (nghiền ướt bằng máy nghiền đá, nghiền khô bằng máy nghiền bi 3000 vòng và nghiền khô bằng máy nghiền

bi 6000 vòng) Điều này một mặt vẫn tận dụng được nhiệt khi đốt trấu, mặt khác tận

thu được loại phụ gia hoạt tính puzơlan nhằm thay thế các loại phụ gia khoáng hoạt tính đắt tiền

PGS.TS Đào Văn Đông - Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải cũng đã công bố công trình “Nghiên cứu đánh giá chất lượng và khả năng sử dụng một số loại phụ gia tro trấu cho bê tông xi măng cường độ cao ở Việt Nam” Đề tài nghiên cứu cấp

Bộ năm 2010 [7]

Kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả Phạm Duy Hữu, Vũ Việt Cường, Vương Đặng

Lê Mai, Đặng Thị Thanh Lê, cũng cho kết quả: nano SiO2 làm tăng cường độ chịu nén của bê tông xi măng 40% tro bay, đặc biệt ở tuổi sớm 3 ngày 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 [14]

ThS Nguyễn Tiến Trung (2008) đã nghiên cứu độ thấm ion clo bằng phương pháp điện lượng của các loại bê tông sử dụng kết hợp 5% tro trấu (TT) và 15% TB, bê tông dùng 4%MS và 20%TB Từ kết quả thí nghiệm tác giả rút ra các kết luận sau: Bê tông

sử dụng kết hợp 5%TT và 15%TB có độ thấm ion clo giảm được hai cấp so với bê tông thường từ trung bình xuống cấp rất thấp ở tuổi 90 ngày; và ngang cấp với bê tông sử dụng kết hợp 4%MS và 20%TB, trị số điện lượng truyền qua bê tông thậm chí còn thấp hơn [23]

ThS Ngọ Văn Toản – Viện Khoa học và Công nghệ Xây dựng, cũng đã công trình

“Nghiên cứu ảnh hưởng của Tro trấu và phụ gia siêu dẻo tới tính chất của hồ, vữa bê tông xi măng” Để chế tạo bê tông chất lượng cao, vấn đề phải giải quyết là bảo đảm hỗn hợp bê tông có tính công tác tốt và có tỷ lệ N/X thấp, nhưng lại được chế tạo với lượng dùng xi măng vừa phải và lượng nước nhào trộn nhỏ Tác giả trình bày những kết quả nghiên cứu ban đầu về việc sử dụng phụ gia siêu dẻo và tro trấu để chế tạo bê tông có tỷ lệ N/X từ 0,3 – 0,45 Ảnh hưởng của hai loại phụ gia nói trên đến độ dẻo tiêu chuẩn và thời gian đông kết của hồ xi măng được nghiên cứu với các lượng dùng phụ gia khác nhau Đối với vữa, đã nghiên cứu sự phát triển cường độ theo thời gian có phụ gia tro trấu, ảnh hưởng của phụ gia siêu dẻo và tro trấu tới cường độ và khả năng chống

thấm nước của bê tông cũng được nghiên cứu Kết quả nghiên cứu cho thấy sự phối hợp giữa phụ gia siêu dẻo và tro trấu đã nâng cao đáng kể chất lượng của vữa và bê tông Điều này góp phần quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng của hai loại phụ gia này trong chế tạo bê tông chất lượng cao [25]

1.2.2.2 Phụ gia khoáng silica Fume

Silica Fume dạng hạt rời, có đường kính hạt trung bình khoảng 0.15µm, hàm lượng SiO2 là 92.3%, chỉ số hoạt tính với xi măng là 113.5% Kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả trường ĐH Xây dựng Hà Nội cho thấy, khi sử dụng silica Fume thay thế xi măng

10 - 20% thì tính công tác của hỗn hợp bê tông tăng Sự cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông khi có mặt silica fume là do hiệu ứng điền đầy Theo Bache cho rằng trong hỗn hợp bê tông có phụ gia siêu dẻo và tỷ lệ N/CKD thấp, các hạt silica Fume siêu mịn chiếm chỗ của lượng nước lẽ ra nằm giữa các hạt xi măng vón tụ, làm tăng lượng nước

tự do trong hồ và do đó làm tăng độ lưu động cho hỗn hợp bê tông Tuy vậy, khi tăng hàm lượng dùng silica Fume, do tỷ diện của silica Fume rất lớn, khoảng 18.000-20.000

cm2/g nên cần một lượng nước rất lớn để thấm ướt 4 bề mặt và hiệu ứng này không thể

bù đắp lại được các hiệu ứng có lợi của silica Fume Điều này thấy rõ khi hàm lượng silica fume tăng lên 30% và 40% thì lượng phụ gia siêu dẻo tăng lên đáng kể [21] Khi sử dụng phụ gia khoáng silica Fume, hàm lượng 10% silica Fume là tối ưu để chế tạo bê tông chất lượng siêu cao, khi đó cường độ nén đạt được lớn nhất là 152MPa

và 160MPa tương ứng ở điều kiện dưỡng hộ tiêu chuẩn và dưỡng hộ nhiệt ẩm Bên cạnh đó, lượng silica fume lớn nhất có thể sử dụng để chế tạo bê tông chất lượng siêu cao là 30%, để đạt cường độ nén theo yêu cầu (> 150 MPa) [21]

GS.TS Phạm Duy Hữu và cộng sự (2008) nghiên cứu độ thấm ion clo của bê tông cấp 60 và 80 MPa sử dụng kết hợp 15%TB và 7%MS Từ kết quả thử nghiệm rút ra các kết luận sau: Độ thấm ion clo của bê tông cấp 60 MPa ở tuổi 28 ngày là 718 culông Với bê tông 80 MPa ở tuổi 28 ngày là 205 culông Từ đó tác giả đề nghị với các công trình xây dựng ở biển và ven biển nên dùng bê tông có muội silic từ 5-6% và 15-20% tro bay Nếu mức độ ăn mòn thấp để tăng độ bền có thể dùng bê tông có muội silic từ 5- 7% và không cần dùng tro bay [11]

TS Phan Đức Hùng, TS Lê Anh Tuấn công bố công trình khoa học “Cường độ chịu nén của bê tông sử dụng sợi Poly-Propylene và silica Fume” trình bày ảnh hưởng của

sợi poly-propylene và silica Fume đến cường độ chịu nén của bê tông Các cấp phối kết hợp sử dụng sợi poly-propylene với hàm lượng 0,5 và 1% theo thể tích và silica Fume thay thế xi măng với tỷ lệ 5, 10 và 15% theo khối lượng và cấp phối đối chứng Nghiên cứu chỉ ra việc sử dụng phụ phẩm như silica fume thay thế từ 5 đến 10% khối lượng xi măng giúp cải thiện cường độ chịu nén của bê tông Ngoài ra, kết quả cho thấy cường

độ chịu nén giảm từ 5 đến 12% khi thêm từ 0,5 đến 1% sợi poly-propylene Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm cũng cho thấy việc sử dụng 5 hoặc 10% silica Fume kết hợp với hàm lượng sợi 0,5% theo thể tích cho cường độ chịu nén cao hơn so với mẫu đối chứng [15] Tác giả Nguyễn Quang Phú – Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy Lợi (2015)

“Thiết kế bê tông tính năng cao sử dụng siluca Fume và phụ gia siêu dẻo” cho rằng để sản xuất bê tông tính năng cao với thành phần vật liệu thông thường, chúng ta cần sử dụng các loại phụ gia khoáng như silica Fume, tro bay, metakaolanh và những loại phụ gia siêu dẻo để tăng tính công tác cho bê tông Việc sử dụng các loại phụ gia khoáng trong bê tông không chỉ giúp tăng cường độ mà còn làm tăng độ bền cho bê tông Cường

độ nén được thí nghiệm để tìm ra lượng dùng phụ gia khoáng tối ưu (silica Fume ở mức 0; 5; 10; 15; 20 và 25% sau 7 ngày và 28 ngày dưỡng hộ) Việc khảo sát này nhằm mục đích đưa ra một cấp phối bê tông tính năng cao thiết kế bằng việc sử dụng phụ gia khoáng silica Fume và phụ gia siêu dẻo [20]

* Nhận xét : Tro trấu có cấu trúc xốp, hình dẹt, kích thước bé, có tính chất của một

puzơlan với độ hoạt tính cao khi sử dụng với xi măng và sự có mặt của nó trong bê tông trong quá trình hydrat hoá các pha khoáng của clanke vai trò của tro trấu làm giảm đáng

kể khả năng tách nước và phân tầng Trong quá trình thuỷ hoá xi măng sinh ra pha Ca(OH)2 cũng như quá trình bay hơi nước, để lại các lỗ rỗng mao quản, các hạt tro trấu

có kích thước nhỏ chèn vào lấp đầy các lỗ trống, SiO2 hoạt tính tham gia phản ứng với Ca(OH)2 tạo pha kết dính CxSyHz làm tăng cường độ bê tông

- Từ kết quả phân tích trên vấn để tái sử dụng tro trấu làm chất phụ gia cho bê tông được sự quan tâm chú ý của nhiều ngành khác nhau Đối với xây dựng đường bộ tại Việt Nam nói chung và khu vực miền Tây Nam Bộ nói riêng đã và đang có những công trình nghiên cứu sử dụng phụ gia trong bê tông xi măng nhằm các mục đích sau: Giảm giá thành trong việc xây dựng mặt đường (thay thế một phần chất kết dính xi măng); Nhằm cải thiện chỉ tiêu cơ lý của vật liệu góp phần tạo ra sản phẩm mới phục vụ xây

dựng nền, mặt đường ô tô như (gia cố đất, đá bằng các phụ gia khác); xử lý nền đất yếu…

- Silica Fume hoạt động với các tính năng: Tác dụng như một chất puzơlan hay tác dụng hoá học Phản ứng puzơlan là phản ứng giữa dioxyt Silic nồng độ cao (SiO2 > 85%) trong silica Fume với Ca(OH)2 được tạo ra do thuỷ hoá xi măng Phản ứng tạo ra gel CSH liên kết chặt chẽ hơn với cốt liệu và đồng thời làm giảm sản phẩm Ca(OH)2 không có lợi sinh ra trong thuỷ hoá xi măng Độ mịn cho phép silica Fume lấp đầy các lỗ rỗng vi mô giữa các hạt xi măng và hiệu quả của vi chất lấp đầy này là làm giảm mạnh khả năng thấm nước và tăng mạnh liên kết giữa cốt liệu với hồ xi măng của

bê tông silica Fume so với bê tông xi măng thông thường

- Việc sử dụng phụ gia nano SiO2 được điều chế từ tro trấu làm phụ gia cho BTXM nói chung và phụ gia silica Fume cho bê tông xi măng nói riêng đã có những công trình công bố trong và ngoài nước Tuy nhiên, việc nghiên cứu độc lập một loại phụ gia NS

và phối trộn cùng lúc 2 loại vật liệu NS+SF để cải thiện các chỉ tiêu cơ lý, cường độ,

độ mài mòn, khả năng chống thấm ion clo, độ thấm nước,…cho bê tông xi măng trên thế giới cũng như trong nước là vấn đề cần nghiên cứu

- Phụ gia silica Fume và nano SiO2 hiện nay chủ yếu nhập khẩu các nước như Trung Quốc, Ấn Độ…chỉ có một số đơn vị ở Việt Nam làm đại lý cho các Công ty nước ngoài giới thiệu và bán các sản phẩm phụ gia này Việc sử dụng hai loại phụ gia nano SiO2

và silica Fume ứng dụng làm phụ gia cho BTXM mang tính mới về mặt khoa học, ngoài

ra còn sử dụng được nguồn phế thải tro trấu thông qua điều chế thành sản phẩm phụ gia giúp giảm nguồn thải ra môi trường mang ý nghĩa thực tiễn

1.3 Các thông số chủ yếu của vật liệu bê tông xi măng cho thiết kế kết cấu mặt đường ô tô ở Việt Nam

Do điều kiện làm việc của mặt đường ô tô, vật liệu phải chịu trực tiếp tải trọng xe chạy và điều kiện tác động của môi trường Sự ảnh hưởng này xảy ra trên một diện tích rộng và đăc ra yêu cầu rất khác biệt cho bê tông làm đường so với ứng dụng với các công trình khác Ngoài ra tấm bê tông cón tiếp xúc trực tiếp với điều kiện bất lợi của chế độ thủy nhiệt, đặc biệt là khi nhiệt độ thay đổi Biên độ nhiệt sẽ tạo ra ứng suất nhiệt trong tấm và tạo nên ứng suất vồng Ứng suất này cùng với ứng suất kéo khi tấm

bị uốn, sẽ làm cho tấm làm việc bất lợi và dẫn đến tấm bị phá hủy Cho nên, vật việt bê tông khi ứng dụng mặt đường hay móng đường phải đạt những yêu cầu nhất định về

các tính năng cơ học và vật lý Để thực hiện tính toán được khà năng chịu tải của mặt đường thì cần xác định các thông số chính sau của vật liệu bê tông khi sử dụng:

1.3.1 Cường độ của bê tông xi măng

Cường độ của bê tông là đặc tính quan trọng nhất của mặt đường và thường được đánh giá bằng hai chỉ tiêu: Cường độ chịu kéo khi uốn và cường độ chịu nén Mặt đường thông thường làm việc chủ yếu là chịu uốn nên chỉ tiêu về cường độ chịu kéo khi uốn của vật liệu bê tông xi măng thông thường là quan trọng nhất Tỷ số giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén Rku/Rn có thể đặc trưng khả năng biến dạng của bê tông làm đường Cường độ của bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó các yếu tố chính là thành phần và cấu trúc của bê tông, trạng thái ứng suất (làm việc) thời gian làm việc của tải trọng, chu kỳ tác dụng và sự biết đổi của nó, tốc độ gia tải, trình tự tác dụng của tải trọng, điều kiện sử dụng

Hiện nay hầu hết các tiêu chuẩn về thiết kế thành phần bê tông thông thường trên thế giới như tiêu chuẩn của Pháp: BAEL, BPEL, của Mỹ: ACI và AASHTO, AASHTO LRFD, của Anh (BS), của Nhật (JIS),…đều tính toán thiết kế theo cường độ đặc trưng (f’c) với giá trị xác suất thường từ 90%  95% Thường với đường ô tô cao tốc độ tin cậy

là 95%, đường cấp I, cấp II là 90% và các đừng khác là 85%

Theo QĐ 3230/QĐ_BGTVT [28] Cường độ kéo uốn thiết kế yêu cầu đối với bê tông

xi măng 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 = 4,0 Mpa với đường khác có quy mô giao thông cấp nhẹ không có xe nặng với

trục đơn >100KN thông qua

1.3.2 Mô đun đàn hồi

Mô đun đàn hồi của bê tông (Eđh) đặc trưng cho khả năng biến dạng của bê tông dưới tác dụng của hoạt tải Bê tông là vật liệu đàn hồi dẻo tuy nhiên tấm bê tông mặt đường làm việc chủ yếu trong giai đoạn đàn hồi chịu tác dụng của tải trọng tức thời, nên sử

dụng giá trị mô đun đàn hồi tìm được trong điều kiện kéo uốn để đặc trưng cho tính chất đàn hồi của bê tông

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 1.1

Bảng1.1- 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

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;

- 1Gpa = 1000 Mpa;

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

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

1.3.3 Độ co ngót và hệ số giãn nở nhiệt tấm bê tông xi măng

Sau khi thi công và hoàn thiện mặt đường, mặt đường BTXM nói chung thường bị nứt trong những ngày đầu có nguyên nhân từ sự co ngót, do quá trình chuyển trạng thái

ẩm – khô liên tục khi bảo dưỡng và do bị hạn chế bởi ma sát đáy tấm với móng đường

Co ngót sẽ gây ra ứng suất trong tấm bê tông trước khi có sự tác động của tải trọng xe

Hình 1.6 – Qúa trình thay đổi ứng suất do co ngót và phát triển cường độ chịu kéo

của bê tông xi măng theo thời gian

Khi ứng suất sinh ra do co ngót lớn hơn sự phát triển cường độ kéo của bê tông thì quá trình nứt bắt đầu được diễn ra (hình 1.6) Cho nên, để kiểm soát vết nứt theo ý muốn, người ta thường phải tạo các tiết diện giảm yếu trong tấm bê tông bằng các khe

về thể tích gây ra các vết nứt phức tạp trong kết cấu áo đường ô tô

Trong điều kiện thời tiết ở Việt Nam nói chung và khu vực miền Tây Nam Bộ nói riêng, việc xác định được hệ số giãn nở nhiệt của bê tông là vô cùng cần thiết, góp phần điều chỉnh khoảng cách giữa các khe co, giãn được hợp lý

1.3.4 Độ mài mòn

Một trong những yêu cầu đặc trưng đối với bê tông cho xây dựng đường (đặc biệt

là mặt đường ở các đô thị có số lượng giao thông ngày càng tăng lên và có yêu cầu bền vững cao) là phải tạo ra một vật liệu có sức chịu mài mòn cao Khả năng chịu mài mòn của BTXM làm đường phụ thuộc vào 2 yếu tố cơ bản:

- Cường độ chịu nén BTXM càng cao thì sức chịu mài mòn càng tốt để tạo ra BTXM

có cường độ có thể áp dụng các công nghệ tạo ra BTXM chất lượng cao;

- Độ cứng của cốt liệu phụ thuộc vào nguồn gốc của vật liệu (đá vôi, đá đolômit, granit, ) nếu dùng cốt liệu có độ mài món kém sẽ làm tăng lượng hạt mịn trong quá trình trộn do đó có thể làm tăng lượng nước cần thiết làm giảm cường độ của bê tông làm đường

- Độ mài mòn được xác định theo TCVN 3114:1993 không được lớn hơn 0,3g/cm2đối 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/cm2 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 [28]

1.4 Kết luận chương 1 và định hướng nghiên cứu

* Kết luận chương 1

(1) Trên thế giới BTXM được áp dụng từ các năm 1960 và tìm thấy hiệu quả to lớn trong việc xây dựng các công trình Vật liệu chủ yếu chế tạo BTXM sử dụng phụ gia khoáng về cơ bản tương tự như BTXM thông thường, tuy nhiên trong thành phần có thêm phụ gia khoáng được dùng tùy theo nguyên liệu của từng nước trên thế giới, nhưng phổ biến là silica Fume, tro bay và puzơlan Ngoài ra còn loại phụ gia khoáng nano SiO2 điều này đã tạo nên nét riêng so với những loại vật liệu BTXM thông thường khác (2) Ở Việt Nam hiện nay, phụ gia silica Fume và nano SiO2 chủ yếu là nguồn vật liệu nhập khẩu đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật thành phần hóa học chính oxit SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO Các đặc điểm thành phần khoáng vật và kích cỡ hạt có ảnh hưởng lớn đến tính chất puzơlan của nano SiO2 và silica Fume, chi phối sự phát triển cường độ và một

số tính chất của BTXM sử dụng nano SiO2 và BTXM sử dụng silica Fume

(3) Quá trình phản ứng diễn ra trong hỗn hợp BTXM phụ gia nano SiO2 và silica Fume là một quá trình phức tạp gồm 2 chuỗi phản ứng: Các phản ứng thuỷ hoá và các phản ứng puzơlan Kết quả của quá trình phản ứng puzơlan là sự chuyển hóa thành phần Ca(OH)2 kém bền vững thành các chất CHS mới có tính bền vững giúp cho bê tông tăng thêm cường độ, độ mài mòn, độ thấm ion clo, tăng khả năng chống thấm và độ thấm sâu

(4) Lựa chọn tỷ lệ phụ gia nano SiO2 và silica Fume/CKD hợp lý sẽ tạo ra được bê tông có cường độ chịu lực đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật làm mặt đường ô tô Bên cạnh đó phụ gia nano SiO2 và silica Fume còn có tác dụng giảm nhiệt thủy hóa; tăng độ bền chịu nước, ion clo, giảm hệ số giãn nở nhiệt (CTE) 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