» Một nghiên cứu mới công bố trên Scientific Reports cho thấy việc bổ sung nano-titanium dioxide (nano-TiO₂) vào bê tông M40 (bê tông mác 40 MPa) có thể giúp vật liệu tăng cường độ lên đến 29%, cải thiện đáng kể độ bền lâu và đồng thời giảm chi phí vòng đời, mở ra triển vọng cho các giải pháp xây dựng bền vững và hiệu quả hơn.
Công nghệ nano đang trở thành hướng tiếp cận quan trọng giúp nâng cao hiệu suất bê tông và giảm phát thải. Nano-TiO₂, vốn nổi tiếng với khả năng chống tia cực tím, tính tự làm sạch và độ ổn định hóa học, nay được chứng minh có thể cải thiện mạnh mẽ cả cơ tính lẫn độ bền lâu của bê tông. Nghiên cứu mới đi sâu phân tích cơ chế, hiệu quả thực nghiệm và giá trị kinh tế của loại phụ gia nano này, cung cấp thêm bằng chứng thuyết phục cho các vật liệu xây dựng thế hệ mới.
Nghiên cứu công bố trên Scientific Reports đã thực hiện đánh giá toàn diện về vi cấu trúc, đặc tính cơ học, độ bền lâu và hiệu quả kinh tế của bê tông M40 khi được bổ sung nano-TiO₂. Vật liệu nano này từ lâu đã thu hút sự quan tâm trong ngành xây dựng nhờ khả năng bền UV, ổn định hóa học và chức năng tự làm sạch. Khi được đưa vào bê tông, nano-TiO₂ không chỉ ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa mà còn góp phần cải thiện mật độ cấu trúc, giảm độ rỗng và tăng khả năng kháng các tác nhân xâm thực.
Đánh giá cơ học, vi cấu trúc, độ bền lâu và hiệu quả kinh tế của bê tông có bổ sung nano-titanium dioxide.
Theo nhóm nghiên cứu, các hạt TiO₂ kích thước nano đóng vai trò là điểm khởi tạo cho quá trình hình thành gel C-S-H, tinh chỉnh mạng lỗ rỗng và đóng vai trò trung tâm kết tinh cho Ca(OH)₂. Những tác động này giúp cấu trúc bê tông trở nên đặc hơn, giảm vi nứt và tăng khả năng chống thấm. Mặc dù nhiều nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào một số tính chất riêng lẻ, công trình mới đã thực hiện đánh giá đồng bộ từ cường độ đến độ bền hóa học, khả năng chịu nhiệt và phân tích vòng đời kinh tế, tạo nên bức tranh đầy đủ hơn về vai trò của nano-TiO₂.
Thí nghiệm sử dụng 3 tỷ lệ nano-TiO₂ gồm 0,5%, 1% và 1,5% tính theo khối lượng xi măng. Các mẫu được đánh giá ở cả trạng thái tươi và rắn, bao gồm độ bền nén, uốn và kéo tách. Quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét SEM cho thấy nano-TiO₂ giúp tinh chỉnh vi cấu trúc, tạo liên kết dày đặc hơn tại vùng chuyển tiếp và giảm đáng kể độ rỗng mao quản, đồng thời thể hiện cơ chế “bắc cầu” qua các vi nứt nhỏ. Những thay đổi này khớp với kết quả tăng cường độ cơ học được ghi nhận trong quá trình thử nghiệm.
Ở tuổi 28 ngày, cường độ nén tăng lần lượt 10,54%, 21,98% và 28,70% tương ứng với 0,5%, 1% và 1,5% nano-TiO₂. Sau 180 ngày, cường độ đạt 75,25 MPa đối với mẫu 1,5% nano-TiO₂, chuyển loại bê tông M40 sang nhóm cường độ cao. Cường độ kéo khi ép chẻ và uốn cũng cải thiện lần lượt đến 30,30% và 40,74%. Tuy vậy, sự giảm độ công tác được ghi nhận ở các cấp phối có hàm lượng nano-TiO₂ cao, cho thấy cần điều chỉnh phụ gia siêu dẻo khi thi công thực tế.
Về độ bền lâu, bê tông có nano-TiO₂ thể hiện khả năng chống lại môi trường axit đáng kể. Sau 90 ngày ngâm 4% HCl, cường độ tăng 5,93 - 28,72% tùy theo hàm lượng nano-TiO₂; với 4% H₂SO₄, mức tăng đạt 15,35 - 42,94%. Khả năng kháng clorua cũng cải thiện, thể hiện qua giảm thấm ion, mặc dù có sự chênh lệch giữa chỉ số điện trở bề mặt (đánh giá mức thấm rất thấp) và kết quả RCPT (xếp loại trung bình), nhấn mạnh sự cần thiết của việc dùng nhiều phương pháp đánh giá song song. Khả năng chịu chu trình đóng băng - tan băng và mức độ cacbonat hóa đều cải thiện rõ rệt.
Thử nghiệm ở nhiệt độ cao cho thấy bê tông chứa nano-TiO₂ giữ được mức cường độ ổn định hơn khi gia nhiệt, đặc biệt ở 300°C, nơi mẫu 1,5% nano-TiO₂ tăng cường độ đến 35,89%. Tuy vậy, ở 600°C, hiệu quả của nano-TiO₂ giảm rõ rệt, nhất là ở hàm lượng cao, cho thấy ranh giới nhiệt mà vật liệu nano có thể phát huy tác dụng. Module đàn hồi của bê tông cũng được cải thiện, đạt tối đa 8,25 GPa với 1,5% nano-TiO₂.
Phân tích kinh tế chỉ ra rằng cấp phối 1% nano-TiO₂ mang lại hiệu quả tối ưu nhờ sự kết hợp giữa chi phí phụ gia và lợi ích tăng tuổi thọ công trình. Đánh giá vòng đời (LCC) cho thấy mức tiết kiệm khoảng 1,4 triệu đơn vị chi phí nhờ giảm chi phí bảo trì và hạn chế hư hỏng trong quá trình khai thác. Chi phí nano-TiO₂ hiện đang thấp hơn mức ngưỡng hòa vốn được tính trong mô hình kinh tế, cho thấy vật liệu này hoàn toàn khả thi để ứng dụng thực tế.
Nghiên cứu kết luận rằng nano-titanium dioxide là phụ gia hiệu quả cao cho bê tông M40, có khả năng tăng cường mạnh mẽ cơ tính, độ bền lâu và giá trị kinh tế của vật liệu. Bằng cách cải thiện quá trình thủy hóa, tinh chỉnh cấu trúc lỗ rỗng và tăng khả năng chống xâm thực, nano-TiO₂ mang lại một hướng tiếp cận đầy tiềm năng nhằm xây dựng các công trình bền vững, thân thiện môi trường và tiết kiệm chi phí hơn trong tương lai.
Cem.Info
