Nghiên cứu vật liệu nano SiO2 từ tro trấu và silica fume làm phụ gia cho bê tông xi măng đường ô tô

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. 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. 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.

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].

Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. - Phương pháp phân tích đánh giá. 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.

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 (0.0)%, 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.