Bê tông in 3D tạo hình kết cấu bằng cách đùn vật liệu theo từng lớp, nhưng mặt tiếp giáp giữa các lớp có thể trở thành vị trí yếu nếu bề mặt bị mất nước hoặc quá trình liên kết không diễn ra đầy đủ. Nghiên cứu được công bố trên Scientific Reports đã thử nghiệm nhiều cấp phối nhằm xác định cách kiểm soát thành phần vật liệu để cải thiện vấn đề này.
Nghiên cứu tối ưu liên kết giữa các lớp bê tông in 3D thông qua tỷ lệ nước/chất kết dính và khả năng giữ nước.
Tối ưu cấp phối để kiểm soát liên kết lớp
Trong bê tông in 3D, lớp vật liệu mới được đùn lên lớp trước trong trạng thái chưa hoàn toàn đóng rắn. Độ ẩm trên bề mặt lớp trước có vai trò quan trọng đối với quá trình thủy hóa và hình thành liên kết. Nếu mất nước quá nhanh, mặt tiếp giáp có thể trở nên khô, đồng thời làm tăng co ngót và nguy cơ hình thành vùng yếu trong kết cấu.
Nghiên cứu tập trung đánh giá ảnh hưởng đồng thời của tỷ lệ nước/chất kết dính, hàm lượng phụ gia siêu dẻo và bột đá vôi đến tính công tác, khả năng giữ nước, co ngót khô, cường độ nén, cấu trúc vi mô và cường độ liên kết giữa các lớp.
Nhóm nghiên cứu sử dụng ba tỷ lệ nước/chất kết dính là 0,30, 0,34 và 0,40, với hàm lượng phụ gia siêu dẻo tương ứng 0,22%, 0,16% và 0,10% theo khối lượng xi măng. Bột đá vôi được bổ sung ở mức 0%, 5% và 10%, tạo thành chín cấp phối thử nghiệm.
Các hỗn hợp được điều chỉnh để đạt độ chảy từ 18,0 - 21,0 cm. Mẫu bê tông được in thành các khối kích thước 400× 400×180 mm bằng máy in dạng giàn, với tốc độ đầu phun 40 mm/s. Sau 28 ngày dưỡng hộ, cường độ liên kết giữa các lớp được xác định bằng thí nghiệm kéo tách. Phân tích kính hiển vi điện tử quét cũng được thực hiện để đánh giá cấu trúc vi mô.
Bột đá vôi giúp tăng khả năng giữ nước và liên kết
Kết quả cho thấy tăng tỷ lệ nước/chất kết dính giúp hỗn hợp dễ chảy hơn, nhưng đồng thời có thể làm tăng co ngót. Cấp phối CP01 với tỷ lệ nước/chất kết dính 0,30 có mức co ngót thấp hơn khoảng 9% so với CP03 có tỷ lệ 0,40.
Bổ sung bột đá vôi giúp cải thiện thêm đặc tính này. CP07, sử dụng tỷ lệ nước/chất kết dính 0,30 và 10% bột đá vôi, có mức co ngót thấp hơn 12,2% so với CP01. Cấp phối này cũng đạt khả năng giữ nước cao nhất, ở mức 92,1%.
Theo nhóm nghiên cứu, các hạt bột đá vôi có độ mịn cao làm tăng diện tích bề mặt và tạo cấu trúc hạt đặc hơn, qua đó hạn chế sự dịch chuyển của nước. Khả năng giữ nước tốt hơn giúp duy trì độ ẩm tại bề mặt lớp in, hỗ trợ quá trình thủy hóa và liên kết với lớp tiếp theo.
Kết quả về cường độ nén cũng cho thấy lợi ích của việc bổ sung bột đá vôi. Các cấp phối chứa 10% bột đá vôi đạt cường độ cao hơn so với các cấp phối tương ứng không sử dụng vật liệu này. CP07 có cường độ nén cao hơn khoảng 15% so với CP01.
Phân tích cấu trúc vi mô cho thấy CP07 có cấu trúc đặc chắc hơn, với các pha C-S-H phát triển và liên kết rõ hơn. Trong khi đó, CP03 có nhiều lỗ mao quản hơn và ít tinh thể C-S-H hơn.
Đáng chú ý nhất là sự cải thiện về cường độ liên kết giữa các lớp. Khi bổ sung 10% bột đá vôi, cường độ liên kết tăng lần lượt 33,6%, 27,4% và 29,7% tại các tỷ lệ nước/chất kết dính 0,30, 0,34 và 0,40. CP07, với tỷ lệ nước/chất kết dính 0,30, phụ gia siêu dẻo 0,22% và 10% bột đá vôi, đạt mức liên kết cao nhất trong các cấp phối được thử nghiệm.
Kết quả cho thấy việc sử dụng hàm lượng nước thấp không nhất thiết làm giảm khả năng in nếu được kết hợp với lượng phụ gia siêu dẻo phù hợp. Đồng thời, bột đá vôi có thể hỗ trợ duy trì độ ẩm và cải thiện cấu trúc vùng tiếp giáp.
Chiều cao in cũng ảnh hưởng đến độ bền liên kết
Một kết quả khác đáng chú ý là cường độ liên kết giữa các lớp có xu hướng giảm khi chiều cao in tăng. Xu hướng này xuất hiện ở tất cả các cấp phối được nghiên cứu và mối quan hệ giữa chiều cao in với chất lượng liên kết được xác định gần tuyến tính.
Phân tích thống kê cho thấy chiều cao in có ảnh hưởng đáng kể đến cường độ liên kết, với F = 44,3 và p < 0,001. Theo nhóm nghiên cứu, một nguyên nhân liên quan đến sự giảm khả năng cố kết do trọng lượng bản thân ở các lớp nằm cao hơn.
Kết quả nghiên cứu cho thấy tối ưu cấp phối bê tông in 3D cần xem xét đồng thời khả năng chảy, giữ nước, co ngót, cấu trúc vi mô và liên kết giữa các lớp. Trong đó, cấp phối CP07 với tỷ lệ nước/chất kết dính 0,30, phụ gia siêu dẻo 0,22% và 10% bột đá vôi cho kết quả nổi bật nhất về khả năng giữ nước, cường độ nén và liên kết lớp.
Nghiên cứu cũng cho thấy bột đá vôi có vai trò vượt ra ngoài chức năng vật liệu độn khi góp phần kiểm soát độ ẩm và cấu trúc vi mô của bê tông in 3D. Tuy nhiên, hiệu quả liên kết còn phụ thuộc vào chiều cao in, cho thấy việc tối ưu vật liệu cần được xem xét cùng các điều kiện của quá trình in.
BuilData (TH/ Azobuild)
