Luận án tiến sĩ kỹ thuật 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 b

i

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


ii

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


iii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

Trang
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

1.3.1 Cường độ của bê tông xi măng

23

1.3.2 Mô đun đàn hồi

23

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

24

1.3.4 Độ mài mòn

25

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

26

Chương 2

28


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

38
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

v
3.1 Các yêu cầu của xi măng và bê tông xi măng dùng trong xây dựng mặt đường
ôtô ở Việt Nam

55

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

3.2.1 Xi măng

57

3.2.2 Phụ gia khoáng

58

3.2.2.1 Nano SiO2 điều chế từ tro trấu

58

3.2.2.2 Silica Fume

58

3.2.3 Cốt liệu lớn

58

3.2.4 Cốt liệu nhỏ

60

3.2.5 Nước

62

3.3 Thiết kế thành phần bê tông xi măng

62

3.3.1 Phương pháp ACI 211

62

3.3.2 Tính toán thiết kế thành phần bê tông

67

3.3.3 Tính toán lượng vật liệu dùng cho một mẻ trộn bê tông

68

3.3.4 Công tác đúc mẫu và bảo dưỡng các mẫu bê tông

69

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

71

3.4.1 Phân tích, đánh giá, nhận xét các kết quả thí nghiệm cường độ Rn và Rku của bê
tông xi măng
3.4.1.1 Trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu quy hoạch thực nghiệm

73
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
Fume

89

3.5.1 Thí nghiệm mô đun đàn hồi

89

3.5.2 Khả năng chống mài mòn của bê tông xi măng

94

3.5.3 Hệ số giãn nở nhiệt (CTE)

96

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


vi
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
4.3.1 Khả năng đáp ứng về cường độ

116
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 SiO2 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 SiO 2 và NS+SF
khu vực miền Tây Nam Bộ
4.4.1 Các số liệu phục vụ thiết kế

121
121


vii
4.4.1.1 Cấp thiết kế

121

4.4.1.2 Dự kiến kết cấu mặt đường BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và phụ gia
NS+SF

122

4.4.1.3 Kiểm toán trạng thái làm việc kết cấu mặt đường BTXM sử dụng phụ gia
nano SiO2 và BTXM sử dụng phụ gia NS+SF

122

4.4.2 Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp nặng

124

4.4.3 Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp trung bình

125

4.4.4 Tổng hợp các dạng kết cấu mặt đường bê tông xi măng.

126

4.5 Kết luận chương 4

127

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

128

I. Kết luận

128

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

130

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

I

TÀI LIỆU THAM KHẢO

II

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

IX

A.1 Thiết bị, dụng cụ và phương pháp thử

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.1 Thiết kế thành phần 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
tỉ lệ phụ gia NS

XXIII

B.3 Kết quả thực nghiệm Rn và Rku của các loại bê tông xi măng ở các ngày tuổi theo
tỉ lệ phụ gia NS+SF
PHỤ LỤC C: BẢNG TÍNH KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG BTXM (ĐÍNH KÈM)
PHỤ LỤC D: PHIẾU KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM (ĐÍNH KÈM)

XXVIII

viii

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

C

: Cát

CKD

: Chất kết dính

CRCP

: Continuously Reinforced Concrete Pavement – Mặt đường bê tông cốt
thép liên tục

CTE

: the Coefficient of Thermal Expansion – Hệ số giãn nở nhiệt

Đ

: Đá

Dmax

: Cỡ hạt lớn nhất danh định

JPCP

: Jointed Plain Concret Pavement – Mặt đường bê tông thường có khe nối

JRCP

: Jointed Reinforced Concret Pavement – Mặt đường bê tông cốt thép có
khe nối

EDX

: Energy Dispersive X-ray spectroscopy – Phổ tán sắc năng lượng tia X

MĐĐL

: Mô đun độ lớn

MPa

: Mega Pascal

NS

: nano SiO2

N/CKD

: Tỉ lệ nước và chất kết dính

N

: Nước

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


ix

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

XM

: Xi măng

XRD

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


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 - Trị số mô đun đàn hồi tính toán của các loại bê tông xi măng

Trang
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 Rn và Rku 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 Dmax=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 SiO2 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


xi
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
cấp đường khu vực miền Tây Nam Bộ

121

Bảng 4.11 - Quy mô giao thông

122

Bảng 4.12 - Bảng phân tích kết quả tính toán kết cấu áo đường BTXM (đường cấp III –
quy mô giao thông cấp nặng)

124

Bảng 4.13 - Bảng phân tích kết quả tính toán kết cấu áo đường BTXM (đường cấp IV –
quy mô giao thông cấp trung bình)

125

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

126


xii
DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ
Hình 1.1 - Vật liệu nano không chiều

Trang
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


xiii
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

xiv
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
gia NS+SF

92

Hình 3.32 - Quan hệ giữa cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn bê tông xi măng sử dụng
phụ gia NS+SF

92

Hình. 3.33 - Biểu đồ biểu diễn độ mài mòn của BTXM sử dụng phụ gia NS

95

Hình 3.34 - Biểu đồ biểu diễn độ mài mòn của BTXM sử dụng phụ gia nano SiO2 và
NS+SF

96

Hình 3.35 - Thí nghiệm dùng để xác định hệ số (CTE) tại Trung tâm KHCN GTVT –
Trường Đại học Giao thông Vận tải – Hà Nội

97

Hình 3.36 - Thiết bị thí nghiệm độ chống thấm bê tông xi măng

99

Hình 3.37 - Thí nghiệm độ thấm nước của mẫu bê tông xi măng

101

Hình 3.38 - Thí nghiệm độ thấm xuyên sâu Hmax của mẫu bê tông xi măng

101

Hình 3.39 - Biểu đồ quan hệ giữa cấp chống thấm và độ thấm xuyên sâu của BTXM sử
dụng phụ gia nano SiO2

102

Hình 3.40 - Biểu đồ quan hệ giữa cấp chống thấm và độ thấm xuyên sâu của BTXM sử
dụng phụ gia nano SiO2 và NS+SF

102

Hình 3.41 - Thí nghiệm thấm ion clo

106

Hình 3.42 - Biểu đồ độ thấm ion clo ở 28 ngày tuổi của các loại bê tông

106

Hình 4.1 - Bản đồ mạng lưới giao thông khu vựa miền Tây Nam Bộ

109

Hình 4.2 - Sơ đồ cấu tạo mặt đường BTXM thông thướng có khe nối

114

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

126


1

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


2

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].


3

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 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” 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.


4

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.


5

- 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.


6

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
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...


7

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


8

- 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 SiO2 và silica Fume cho bê tông xi măng

1.2.1 Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng sử dụng phụ gia nano SiO2 và silica
Fume trên thế giới
1.2.1.1 Các nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano SiO2 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


9

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


10

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


11

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 SiO2 (a) và BTXM có nano SiO2 (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