Ảnh hưởng của tấm nano graphene đến tính chất cơ học và độ bền của bê tông

Việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong xi măng đang trở thành một hướng đi quan trọng nhằm nâng cao chất lượng và độ bền của công trình xây dựng. Trong đó, tấm nano graphene được đánh giá là một trong những phụ gia tiềm năng nhờ khả năng tác động trực tiếp đến cấu trúc vi mô và cải thiện tính chất cơ học của bê tông.

Một nghiên cứu công bố trên tạp chí Scientific Reports cho thấy việc bổ sung tấm nano graphene vào vật liệu xi măng có thể cải thiện đáng kể cả cường độ và độ bền lâu dài. Tấm nano graphene là vật liệu có cấu trúc 2 chiều, sở hữu độ bền cơ học cao, độ linh hoạt tốt và khả năng dẫn điện. Khi được phân tán trong hỗn hợp xi măng, các tấm nano này tương tác với sản phẩm thủy hóa và các hạt xi măng, góp phần tăng cường liên kết trong ma trận và hạn chế sự phát triển của vi nứt.

Ảnh hưởng của tấm nano graphene đến tính chất của vật liệu gốc xi măng qua nghiên cứu thực nghiệm.

Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã xây dựng 25 cấp phối bê tông thuộc các mác từ M20 - M40, với hàm lượng tấm nano graphene từ 0% - 20% theo khối lượng xi măng. Để đảm bảo phân tán đồng đều, vật liệu nano được hòa trộn trong nước cùng phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate, sau đó trộn bằng phương pháp cường độ cao trước khi đưa vào cấp phối. Các mẫu bê tông được đúc, dưỡng hộ và kiểm tra theo các tiêu chuẩn kỹ thuật, bao gồm đánh giá tính công tác, cường độ cơ học và độ bền lâu dài.

Kết quả cho thấy tấm nano graphene có ảnh hưởng rõ rệt đến cả trạng thái tươi và trạng thái rắn của bê tông. Về cường độ, giá trị nén đạt khoảng 47 MPa, trong khi cường độ uốn đạt khoảng 7,3 MPa. Cường độ kéo khi ép chẻ cũng tăng lên so với mẫu đối chứng. Mức cải thiện có thể đạt tới khoảng 30% đối với cường độ nén và khoảng 25% đối với cường độ uốn khi sử dụng hàm lượng phù hợp.

Bên cạnh đó, các chỉ tiêu về độ bền cũng được cải thiện đáng kể. Độ hút nước giảm từ khoảng 4,5% xuống còn khoảng 1,6%, cho thấy cấu trúc vật liệu trở nên đặc chắc hơn. Khả năng chống xâm thực được nâng cao khi độ giãn nở do sunfat giảm mạnh và độ thấm ion chloride giảm xuống mức thấp. Những kết quả này cho thấy bê tông có khả năng làm việc tốt hơn trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Phân tích vi cấu trúc cho thấy sự hiện diện của tấm nano graphene giúp tinh chỉnh hệ lỗ rỗng và thúc đẩy sự hình thành các sản phẩm canxi silicat hydrat C-S-H với mật độ cao hơn. Đồng thời, các tấm nano đóng vai trò như cầu nối vi mô, hạn chế sự lan truyền của vết nứt và nâng cao tính liên tục của cấu trúc bên trong.

Hiệu quả của tấm nano graphene phụ thuộc đáng kể vào hàm lượng sử dụng. Mặc dù mức bổ sung cao có thể mang lại hiệu quả lớn về cường độ, nhưng khoảng từ 5% đến 10% được xem là tối ưu do vẫn đảm bảo tính công tác và khả năng thi công của hỗn hợp bê tông.

Việc giảm độ thấm và tăng độ đặc chắc của vật liệu có ý nghĩa quan trọng trong việc kéo dài tuổi thọ công trình, đồng thời giảm nhu cầu bảo trì trong suốt vòng đời sử dụng. Điều này góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm tác động môi trường của ngành xây dựng.

Kết quả nghiên cứu cho thấy tấm nano graphene có tiềm năng trở thành một phụ gia quan trọng trong phát triển bê tông hiệu năng cao. Tuy nhiên, để triển khai trong thực tế, cần tiếp tục đánh giá trong điều kiện dài hạn và xem xét các yếu tố liên quan đến chi phí cũng như khả năng sản xuất ở quy mô lớn. Những nghiên cứu tiếp theo sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thiện công nghệ và mở rộng ứng dụng vật liệu nano trong ngành xi măng.

Cem.Info