Nano silica kết hợp với sợi thép có thể cải thiện đồng thời tính chất cơ học và cấu trúc vi mô của bê tông. Trong phạm vi thí nghiệm, tỷ lệ 1% nano silica và 2% sợi thép cho hiệu quả cơ học tốt nhất, trong khi nano silica góp phần làm đặc chắc nền xi măng và cải thiện liên kết giữa sợi thép với nền bê tông.
Việc sử dụng vật liệu nano trong hệ chất kết dính đang được quan tâm nhằm kiểm soát cấu trúc lỗ rỗng và nâng cao độ bền của vật liệu xi măng. Khi kết hợp với cốt sợi thép, nano silica có thể tạo ra tác động bổ trợ giữa việc gia cường nền bê tông và kiểm soát vết nứt.
Nano silica và sợi thép kết hợp cải thiện tính năng và cấu trúc vi mô của bê tông. (Nguồn: ChatGPT/OpenAI)
Xác định tỷ lệ nano silica và sợi thép phù hợp
Được công bố trên tạp chí Scientific Reports, công trình tập trung đánh giá ảnh hưởng của hình dạng, chiều dài sợi thép và hàm lượng nano silica đến khả năng chống thấm, tính chất cơ học và cấu trúc vi mô của bê tông.
Hỗn hợp bê tông sử dụng xi măng portland hỗn hợp, cát sông, đá granite nghiền và nước máy. Tỷ lệ nước trên chất kết dính được duy trì ở mức 0,50, tỷ lệ cát 35% và có bổ sung phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate để đảm bảo tính công tác của hỗn hợp.
Thí nghiệm được triển khai theo 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu nhằm xác định loại và chiều dài sợi thép phù hợp để cải thiện khả năng chống thấm. Hai dạng sợi được khảo sát gồm sợi móc hai đầu và sợi gấp khúc với nhiều chiều dài khác nhau.
Kết quả cho thấy sợi móc hai đầu dài 50 mm, ký hiệu D50 và sợi gấp khúc dài 40 mm, ký hiệu B40, cho hiệu quả tốt nhất về khả năng chống thấm trong số các chiều dài được thử nghiệm.
Ở giai đoạn tiếp theo, hai loại sợi này được kết hợp với nano silica ở các hàm lượng 0,5%, 1% và 1,5% theo khối lượng xi măng. Hàm lượng sợi thép được khảo sát ở mức 1%, 1,5% và 2% theo thể tích. Các mẫu được đánh giá cường độ nén, cường độ kéo tách và cường độ uốn ở tuổi 28 ngày, với bê tông không sử dụng nano silica và sợi thép làm mẫu đối chứng.
Nano silica 1% và sợi thép 2% cho kết quả nổi bật
Kết quả cho thấy tổ hợp sử dụng 2% sợi thép theo thể tích và 1% nano silica theo khối lượng xi măng cho hiệu quả cơ học tốt nhất trong phạm vi các cấp phối được khảo sát.
Đối với bê tông sử dụng sợi móc hai đầu, cường độ nén đạt 45,98 MPa, tăng 33,96% so với mẫu bê tông đối chứng. Với sợi gấp khúc, cường độ nén đạt 46,17 MPa, tương ứng mức tăng 34,51%.
Mức cải thiện cường độ nén của hai hệ sợi tương đối tương đồng. Tuy nhiên, bê tông sử dụng sợi móc hai đầu cho cường độ kéo tách và cường độ uốn cao hơn. Theo nhóm tác giả, hình dạng móc ở hai đầu sợi tạo khả năng neo giữ cơ học tốt hơn, qua đó tăng cường liên kết giữa sợi thép và nền bê tông. Tổ hợp sử dụng sợi móc hai đầu, 2% sợi thép và 1% nano silica được xác định là cấp phối có hiệu quả cơ học tổng thể tốt nhất trong các tổ hợp được thử nghiệm.
Đáng chú ý, việc tiếp tục tăng hàm lượng nano silica lên 1,5% không giúp cường độ tăng thêm mà dẫn đến mức giảm nhẹ. Nhóm tác giả cho rằng hiện tượng này có thể liên quan đến sự kết tụ của các hạt nano, làm giảm khả năng phân tán, ảnh hưởng đến quá trình trộn và thay đổi diễn biến thủy hóa.
Các phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét và phổ tán sắc năng lượng tia X cung cấp thêm cơ sở để lý giải kết quả trên. Mẫu sử dụng hàm lượng nano silica tối ưu có cấu trúc đặc chắc hơn và giàu sản phẩm C-S-H. Khi hàm lượng nano silica tăng, tỷ lệ Ca/Si giảm, phù hợp với nhận định về phản ứng pozzolan giữa nano silica và Ca(OH)₂.
Những kết quả này cho thấy nano silica có vai trò quan trọng trong việc cải thiện cấu trúc nền xi măng. Các hạt nano silica có thể tham gia phản ứng với Ca(OH)₂, góp phần hình thành thêm sản phẩm hydrat và làm đặc chắc cấu trúc vật liệu. Sự thay đổi này không chỉ tác động đến nền bê tông mà còn hỗ trợ cải thiện vùng tiếp xúc giữa nền xi măng và sợi thép.
Trong khi nano silica góp phần kiểm soát cấu trúc lỗ rỗng và tăng độ đặc chắc của nền xi măng, sợi thép phát huy vai trò gia cường và kiểm soát vết nứt. Kết quả thử nghiệm chống thấm ở giai đoạn đầu cũng cho thấy sợi thép giúp hạn chế sự thâm nhập của nước. Sự kết hợp của hai cơ chế này tạo ra tác động bổ trợ đối với tính năng của bê tông.
Các kết quả thu được có thể là cơ sở tham khảo cho việc thiết kế cấp phối bê tông yêu cầu đồng thời khả năng chịu lực và chống thấm, trong đó có các ứng dụng tiềm năng trong công trình ngầm và công trình thủy lợi. Tuy nhiên, các kết luận hiện được xác lập từ thí nghiệm trong phòng ở tuổi 28 ngày. Hiệu quả dài hạn, độ bền trong điều kiện khai thác thực tế và khả năng triển khai ở quy mô công trình cần được tiếp tục đánh giá.
Nguồn tham khảo: Guo L., Li Y (2026), "Coupling effects of nano-silica and steel fibers on concrete performance and microstructural characterization", Scientific Reports.
Cem.Info (TH/ Azonano.com)
