» Việc bổ sung graphene vào bê tông cho thấy khả năng cải thiện rõ rệt cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn và khả năng chống thấm nước. Với hàm lượng rất nhỏ, vật liệu nano này giúp bê tông trở nên đặc chắc hơn, giảm nứt và nâng cao độ bền, mở ra hướng phát triển cho vật liệu xi măng hiệu năng cao trong tương lai.
Graphene đang được xem là một trong những vật liệu nano tiềm năng nhất trong ngành xi măng nhờ khả năng cải thiện đáng kể cường độ và độ bền của bê tông. Các nghiên cứu gần đây cho thấy chỉ với hàm lượng rất nhỏ, graphene có thể giúp bê tông trở nên đặc chắc hơn, giảm nứt và tăng khả năng chống thấm, mở ra hướng phát triển cho vật liệu xây dựng hiệu năng cao trong tương lai.
Một nghiên cứu đăng tải trên tạp chí Scientific Reports đã cung cấp thêm bằng chứng về hiệu quả của graphene trong cải thiện tính chất cơ học và vi cấu trúc của vật liệu bê tông.
Graphene và sự cải thiện vi cấu trúc trong bê tông
Graphene là vật liệu carbon 2 chiều gồm một lớp nguyên tử carbon sắp xếp theo mạng lục giác. Vật liệu này có độ bền cơ học rất cao, diện tích bề mặt lớn cùng khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt vượt trội. Nhờ những đặc tính này, graphene được nghiên cứu như một phụ gia tiềm năng trong vật liệu xi măng và bê tông.
Khi được đưa vào hỗn hợp, graphene tương tác với các sản phẩm thủy hóa và các hạt xi măng, giúp tăng cường liên kết trong ma trận vật liệu. Đồng thời, sự hiện diện của graphene góp phần làm giảm hình thành vi nứt, giảm độ rỗng và cải thiện độ đặc chắc của bê tông.
Đánh giá tiềm năng ứng dụng graphene trong nâng cao chất lượng và độ bền của bê tông.
Nghiên cứu sử dụng xi măng portland thông thường, cốt liệu đá granite và cát sông đạt tiêu chuẩn kỹ thuật. Graphene được bổ sung với các tỷ lệ từ 0% đến 0,5% theo khối lượng xi măng. Vật liệu được phân tán trong nước bằng phương pháp khuấy cơ học trước khi đưa vào phối trộn nhằm đảm bảo độ đồng nhất.
Các mẫu thử được đúc theo kích thước tiêu chuẩn và bảo dưỡng trong điều kiện kiểm soát. Thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn đánh giá cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn, đồng thời tiến hành kiểm tra độ hút nước để đánh giá khả năng chống thấm.
Phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử cho thấy bê tông có bổ sung graphene có cấu trúc đặc chắc hơn, ít lỗ rỗng và ít vết nứt hơn so với mẫu đối chứng. Vùng tiếp giáp giữa hồ xi măng và cốt liệu cũng được cải thiện, giúp tăng khả năng truyền tải ứng suất và hạn chế phá hoại cục bộ trong kết cấu.
Tăng cường độ cơ học và ý nghĩa đối với vật liệu xây dựng hiện đại
Kết quả thí nghiệm cho thấy graphene giúp cải thiện đồng thời cường độ chịu nén và cường độ chịu uốn của bê tông. Cường độ chịu nén sau 28 ngày tăng từ 33,58 MPa ở mẫu đối chứng lên 37,75 MPa tại mức bổ sung tối ưu 0,4%, tương đương mức tăng 11,6%.
Cường độ chịu uốn đạt 4,47 MPa so với 3 MPa của mẫu không sử dụng graphene. Sự cải thiện này được lý giải bởi khả năng của graphene trong việc liên kết và ngăn chặn sự phát triển của vi nứt, giúp tăng độ dẻo và khả năng chịu tải của vật liệu.
Khả năng chống thấm nước cũng được cải thiện rõ rệt khi độ hút nước giảm từ 4,5% xuống còn 1,6%, phản ánh cấu trúc bê tông trở nên đặc chắc hơn và hạn chế xâm nhập của nước cùng các tác nhân gây hại từ môi trường.
Các phân tích XRD và FTIR cho thấy sự hiện diện của graphene trong ma trận xi măng và vai trò thúc đẩy hình thành các sản phẩm thủy hóa. Các sản phẩm canxi silicat hydrat (C-S-H) được tạo thành với mật độ cao hơn, góp phần tăng cường độ bền tổng thể của vật liệu.
Hiệu quả cải thiện tính chất cơ học phụ thuộc rõ rệt vào hàm lượng graphene sử dụng. Khi vượt quá mức tối ưu 0,4%, hiện tượng kết tụ có thể xảy ra, làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp và ảnh hưởng tiêu cực đến cường độ.
Việc ứng dụng graphene trong bê tông mở ra hướng tiếp cận mới trong thiết kế vật liệu xi măng hiệu năng cao. Nhờ khả năng cải thiện vi cấu trúc và tăng cường độ bền, vật liệu này góp phần kéo dài tuổi thọ công trình, giảm nhu cầu bảo trì và nâng cao hiệu quả khai thác. Đồng thời, tối ưu hóa phụ gia nano cũng có thể giúp giảm lượng xi măng sử dụng, từ đó góp phần giảm phát thải trong ngành vật liệu xây dựng.
Cem.Info
