Tài liệu 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

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...