Ứng dụng của bê tông tự lèn có graphene oxide và tro bay trong công trình giao thông

1. Đặt vấn đề

Bê tông tự lèn (BTTL) có khả năng tự chảy và lấp đầy khuôn ván dưới tác động trọng lực mà không cần rung đầm cơ học. Tính chất đặc biệt này giúp BTTL duy trì độ lèn chặt cao, tính đồng nhất và khả năng chống phân tầng hoặc tách nước ngay cả khi điền đầy vào những khu vực phức tạp của ván khuôn, bao gồm cả những vùng cốt thép dày đặc.

Đặc biệt, BTTL mang lại nhiều lợi ích đáng kể trong xây dựng kết cấu bê tông cốt thép, nhất là đối với các dự án quy mô lớn yêu cầu chất lượng hoàn thiện cao và độ chính xác thẩm mỹ.

Tại Nhật Bản, năm 1990, BTTL lần đầu được dùng trong xây dựng dân dụng và sử dụng cho trụ cầu dây văng dự ứng lực năm 1991. Năm 1998, BTTL được dùng để thi công hai cọc neo dày 3 m của cầu Akashi-Kaikyo - cây cầu có nhịp dài nhất thế giới thời điểm đó (1,991 km), giúp rút ngắn thời gian xuống 2 năm với chất lượng đảm bảo yêu cầu [1].

Tại Trung Quốc, BTTL được ứng dụng trong các cột bê tông phức tạp của tòa nhà CCTV Bắc Kinh, với độ chảy SF đạt 720 mm [2]. Tại Ả Rập Saudi, tòa nhà Alturki Business Park hoàn toàn sử dụng BTTL với độ bền 60 MPa và khả năng bơm cao 230 m [3].

Tại Đông Nam Á, Thái Lan sử dụng BTTL từ năm 1992 cho các công trình nhà ở và cầu vượt [4], Philippines ứng dụng trong xây dựng khách sạn Eaton Holiday cao 71 tầng.

Tại Mỹ, BTTL được Viện Bê tông Mỹ (ACI) khuyến nghị sử dụng từ năm 2007 giúp tiết kiệm chi phí. Nổi bật ứng dụng BTTL vào Nhà thờ Christ the Light ở California, hoàn thiện vào năm 2008 với các bức tường vòm bằng bê tông có độ chính xác và thẩm mỹ cao [5].

Năm 2018, Việt Nam ban hành TCVN 12209:2018 về BTTL, đưa ra các yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử nghiệm chi tiết. BTTL đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều dự án xây dựng quy mô lớn như Keangnam Hanoi Landmark Tower, Lotte Center Hanoi, Viettinbank Tower.

Đặc biệt, công trình The Landmark 81 tại TP. Hồ Chí Minh do nhà thầu Việt Nam thực hiện, với kết cấu đài móng siêu lớn (cao nhất 8,4 m, diện tích 3.000 m², khối lượng bê tông khoảng 17.000 m³).

Trong nhiều dự án giao thông quan trọng tại Việt Nam, BTTL góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả thi công, như cho các hạng mục cầu và kết cấu ngầm, giúp tăng khả năng chống thấm và đảm bảo tiến độ. Cầu Vàm Cống (Đồng Tháp - Cần Thơ) và cầu Cần Thơ cũng áp dụng BTTL cho các trụ cầu và mố cầu, cải thiện độ bền kết cấu và chi phí bảo trì giảm.

Năm 2020, sửa chữa cầu Thăng Long (Hà Nội), BTTL giúp tạo bề mặt phẳng, không cần đầm rung và rút ngắn thời gian thi công. Việc áp dụng BTTL trong các dự án giao thông góp phần cải thiện chất lượng và độ bền của công trình, tăng tốc độ thi công, giảm chi phí trong dài hạn.

Trước nhu cầu ngày càng tăng về độ bền, khả năng chống nứt và khả năng chống chịu với các điều kiện môi trường khắc nghiệt trong hạ tầng giao thông hiện đại, cần có thêm nhiều nghiên cứu và tối ưu hóa để đảm bảo BTTL đáp ứng được.

Một trong những chiến lược tiềm năng nhằm nâng cao hiệu suất tổng thể của BTTL là kết hợp các vật liệu bổ sung có tính chất xi măng và vật liệu nano.

Việc kết hợp graphene oxide (GO) với tro bay (FA) trong BTTL gần đây đã thu hút sự quan tâm ngày càng lớn từ giới khoa học. Các nghiên cứu cho thấy kết hợp graphene oxide (GO) và tro bay (FA) trong BTTL mang lại những cải thiện đáng kể về tính cơ học, độ bền và khả năng chống xâm thực của vật liệu.

Cụ thể, nghiên cứu của Nguyễn et al. (2024) [6] đã chỉ ra rằng việc bổ sung FA giúp cải thiện tính công tác của BTTL, đồng thời giảm thiểu hiệu ứng co ngót. Trong khi đó, GO với cấu trúc nano đặc biệt có khả năng tăng cường độ nén, tính chịu kéo và hạn chế sự phát triển vi nứt trong nền xi măng, từ đó cải thiện đáng kể tuổi thọ công trình.

Tuy nhiên, như nghiên cứu của Nguyễn (2024) [16] đã chỉ ra hiệu quả gia cường của GO trong bê tông phụ thuộc lớn vào khả năng phân tán đồng đều trong hỗn hợp do GO có diện tích bề mặt lớn và xu hướng kết tụ.

Tối ưu hóa kỹ thuật trộn, sử dụng phụ gia siêu dẻo hoặc các phương pháp phân tán thích hợp để tận dụng tối đa vai trò gia cường của GO trong BTTL. Ngoài ra, theo nghiên cứu của Nguyễn (2023) [17], tỷ lệ GO trong hỗn hợp BTTL cần được tính toán cụ thể.

Việc sử dụng hàm lượng GO quá cao làm tăng độ nhớt hỗn hợp, ảnh hưởng đến hiệu suất thi công. Do đó, cần có sự cân bằng giữa hàm lượng GO, FA và các thành phần khác nhằm đảm bảo BTTL phát huy tối đa hiệu quả gia cường của vật liệu nano. Dựa trên các kết quả nghiên cứu của tác giả, trong bài báo này, tác giả sẽ tập trung vào việc đề xuất các ứng dụng phù hợp với loại vật liệu BTTL có GO.

2. Đặc tính của BTTL có chứa naono Graphene và tro bay

BTTL chứa graphene oxide và tro bay mang lại nhiều ưu điểm nổi bật trong xây dựng mặt đường chịu tải trọng cao nhờ khả năng tự chảy, độ bền cơ học cao và khả năng chống nứt, chống xâm thực vượt trội.

Về mặt cơ học, BTTL chứa GO và FA thể hiện khả năng vượt trội về cường độ nén và chịu kéo nhờ vào cơ chế vi mô đặc biệt. Cụ thể, GO với cấu trúc nano giúp thúc đẩy sự phát triển của các sản phẩm thủy hóa như C-S-H (calcium silicate hydrate), trong khi FA phản ứng với Ca(OH)₂ tạo thêm C-S-H thứ cấp, giúp làm tăng mật độ vi cấu trúc, giảm độ rỗng và nâng cao khả năng chịu tải của mặt đường bê tông [6, 8, 9].

Để nâng cao cường độ chịu nén và chịu kéo uốn của BTTL, thiết kế cấp phối đề xuất nên bao gồm 25 - 30% FA và 0,03 - 0,05% GO theo khối lượng chất kết dính, khi đó cường độ chịu kéo uốn tăng khoảng 22 - 32,7%, cường độ chịu nén tăng khoảng 21 - 26,7%, mà vẫn đạt được sự cân bằng giữa cường độ, khả năng chống nứt và hiệu quả tổng thể của kết cấu [7, 15, 18].

BTTL chứa GO và FA cũng khắc phục được nhược điểm chống nứt kém và dễ bị xâm thực của CC. Khi chịu tác động của tải trọng lặp lại, CC dễ hình thành vi nứt, làm tăng tính thấm và giảm tuổi thọ công trình.

Trong khi đó, GO trong BTTL giúp hạn chế sự phát triển của vi nứt nhờ vào cơ chế phân tán nano, còn FA cải thiện khả năng chống thấm bằng cách giảm hàm lượng Ca(OH)₂ dư thừa. Nhờ vậy, BTTL chứa GO và FA có khả năng chống ăn mòn cốt thép tốt hơn, đặc biệt trong môi trường chứa ion Cl⁻ từ muối chống đóng băng hoặc khu vực ven biển [12, 13, 14].

Về hiệu quả kinh tế và môi trường, BTTL chứa GO và FA giúp giảm đáng kể lượng xi măng cần thiết nhờ vào sự thay thế một phần xi măng bằng FA và GO, giúp giảm chi phí và lượng khí thải CO₂ trong quá trình sản xuất xi măng.

Đó chính là một trong những lợi ích quan trọng nhất của việc sử dụng nano graphene trong bê tông, giảm lượng xi măng mà vẫn duy trì hoặc cải thiện tính năng cơ học của bê tông.

Tuy nhiên, hỗn hợp khi có sự tham gia của nano Graphene nói chung vẫn tồn tại một số thách thức như khả năng phân tán đồng đều của GO trong hỗn hợp bê tông.

Đây là vấn đề chính, do tính chất ưa nước và diện tích bề mặt lớn của GO khiến nó dễ kết tụ, làm giảm hiệu quả gia cường. Thêm vào đó, chi phí sản xuất GO vẫn còn cao do quy trình phức tạp và tiêu tốn năng lượng [16, 17].

3. Ứng dụng thực tế của BTTL chứa Graphene oxide (GO) và tro bay (FA) trong công trinh giao thông

BTTL có sự tham gia của nano đã chứng minh tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các công trình giao thông, đặc biệt là các dự án đòi hỏi độ bền cơ học cao, khả năng chống xâm thực tốt và hiệu quả thi công vượt trội. Song, chi phí của GO vẫn ở mức cao, nên việc lựa chọn phạm vi ứng dụng hợp lý là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế.

- Công trình cầu và kết cấu ngầm ở môi trường biển:

Trong các công trình cầu và kết cấu ngầm, BTTL chứa GO và FA được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng chống ăn mòn cốt thép và giảm tính thấm nước, đặc biệt trong môi trường có nồng độ ion Cl⁻ và SO₄²- cao. Với khả năng lấp đầy các lỗ rỗng vi mô và ngăn chặn sự phát triển của vi nứt, BTTL chứa GO và FA giúp kéo dài tuổi thọ công trình và giảm thiểu chi phí bảo trì.

- Mặt đường cao tốc và sân bay chịu tải trọng lớn:

BTTL chứa GO và FA được áp dụng cho các lớp bê tông mặt đường cao tốc và đường băng sân bay nhờ vào khả năng chịu tải trọng động lặp lại cao. Cơ chế phân tán nano của GO và tính năng lấp đầy các lỗ rỗng của FA giúp gia tăng cường độ nén, hạn chế sự phát triển của vi nứt và nâng cao độ bền lâu dài của mặt đường.

- Công trình hạ tầng giao thông yêu cầu kỹ thuật cao:

Trong các công trình ngầm như tuyến metro, nhà ga ngầm và bãi đỗ xe ngầm, BTTL chứa GO thể hiện ưu thế nhờ vào tính tự lèn cao, giúp hỗn hợp bê tông dễ dàng chảy vào các khuôn đúc phức tạp mà không cần rung đầm. Điều này không chỉ giúp đảm bảo tính đồng nhất của cấu trúc bê tông mà còn giảm thiểu các khuyết tật trong quá trình thi công.

- Công trình chống xâm thực và bảo vệ bờ biển:

BTTL chứa GO và FA là lựa chọn tối ưu cho các kết cấu đòi hỏi khả năng chống xâm thực mạnh mẽ và độ bền cơ học cao như đê chắn sóng, kè biển và công trình chống lũ. Với khả năng tạo ra cấu trúc bê tông đồng nhất và giảm thiểu lỗ rỗng, loại bê tông này giúp ngăn ngừa sự thâm nhập của các tác nhân hóa học gây hại và duy trì độ bền của công trình trong môi trường nước biển khắc nghiệt.

Nhờ vào các đặc tính ưu việt về độ bền cơ học, khả năng chống xâm thực và hiệu quả thi công, BTTL chứa GO và FA mang lại giá trị kinh tế và kỹ thuật cao trong các công trình giao thông đòi hỏi yêu cầu khắt khe. Tuy nhiên, để tối ưu hóa chi phí và đảm bảo tính khả thi trong thực tế, việc xác định phạm vi ứng dụng cụ thể và phát triển các phương pháp sản xuất GO hiệu quả hơn vẫn là hướng nghiên cứu cần thiết trong tương lai.

4. Kết luận

Nghiên cứu này đã làm rõ vai trò của graphene oxide (GO) và tro bay (FA) trong việc cải thiện tính chất cơ học, độ bền và hiệu suất thi công của BTTL trong các công trình giao thông.

Kết quả cho thấy sự kết hợp giữa FA và GO không chỉ nâng cao cường độ chịu nén, khả năng chống nứt và tính kháng xâm thực mà còn góp phần giảm tiêu thụ xi măng, qua đó giảm phát thải CO₂ và tối ưu hóa chi phí vật liệu.

Với tỷ lệ FA tối ưu trong khoảng 25 - 30% và GO từ 0,03 - 0,05%, BTTL đạt được sự cân bằng giữa tính công tác và hiệu suất tổng thể, đặc biệt là trong môi trường có điều kiện khắc nghiệt như kết cấu ngầm, cầu vượt và đường băng sân bay.

Tuy nhiên, thách thức lớn nhất trong ứng dụng thực tế vẫn là khả năng phân tán đồng đều của GO và chi phí sản xuất cao, đòi hỏi các nghiên cứu tiếp theo tập trung vào tối ưu hóa phương pháp trộn, cải thiện công nghệ sản xuất GO và đánh giá dài hạn về độ bền của BTTL trong điều kiện thực tế.

Nhìn chung, BTTL có chứa GO và FA là một giải pháp đầy tiềm năng, không chỉ giúp nâng cao tuổi thọ công trình mà còn hướng đến sự phát triển bền vững của ngành xây dựng hạ tầng giao thông trong tương lai.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Masahiro Ouchi (2000), Self-compacting concrete-development, applications and investigations, NORDIC CONCRETE RESEARCH-PUBLICATIONS, 23, pp.29-34.

[2]. Peiyu Yan and chenghang Yu (5-7, June, 2009), Application of Self - Consolidating Concrete in Beijing, Second International Symposium on Design, Performance and Use of SelfConsolidating Concrete, Beijing, China.

[3]. Redwan Amin Hameed and Narasimhulu Gary (2016), Alturki Business Park Self Consolidating Concrete - A Case Study 8th International RILEM Symposium on SelfCompacting Concrete.

[4]. Somnuk Tangtermsirikul (1998), Design and construction of self-compacting concrete in Thailand, International Workshop on Self-Compacting Concrete, pp.72-86.

[5]. Joseph A Daczko (2012), Self-consolidating concrete: Applying what we know, CRC Press.

[6]. Nguyen, N.T.T., et al. (2024), Effects of Fly Ash and Graphene Oxide in Cement Mortar Considering the Local Recycled Material Context, Applied Sciences, 14(6140), Doi: 10.3390/app14146140.

[7]. Wang, Y., et al. (2019), Effect of Graphene Oxide on Mechanical Properties of Cement Mortar and its Strengthening Mechanism, Materials, 12(3753), Doi: 10.3390/ma12223753.

[8]. Lv, S., et al. (2013), Effect of Graphene Oxide Nanosheets on the Microstructure and Mechanical Properties of Cement Composites, Construction and Building Materials, 49, 121-127. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.08.022.

[9]. Khed, V.C., et al. (2022), Optimization of Graphene Oxide Incorporated in Fly Ash-Based Self-Compacting Concrete, Buildings, 12(2002). DOI: 10.3390/buildings12112002.

[10]. Abdulkadir, I.; Mohammed, B.S.; Ali, M.O.A.; Liew, M.S., Effects of Graphene Oxide and Crumb Rubber on the Fresh Properties of Self-Compacting Engineered Cementitious Composite Using Response Surface Methodology, Materials 2022, 15, 2519, https://doi.org/10.3390/ma15072519.

[11]. QIN WANG ET AL. (2017), Effect of fly ash on rheological properties of graphene oxide cement paste, In: Construction and Building Materials.

[12]. P.V.R.K. (2022), REDDY AND RAVI PRASAD DARAPUREDDI: A study on workability, strength and microstructure characteristics of graphene oxide and fly ash-based concrete, In: Materials Today Proceedings.

[13]. MANIKANTA DAMMA ET AL. (2021), Mechanical and durability characteristics of high performance self-compacting concrete containing flyash, silica fume and graphene oxide, In: Materials Today Proceedings.

[14]. GUÐMUNDUR HANNESSON ET AL. (2012), The influence of high volume of fly ash and slag on the compressive strength of self-consolidating concrete, In: Construction and Building Materials.

[15]. Zhao, L., Guo, X., Song, L., Song, Y., Dai, G., Liu, J. (2020), An intensive review on the role of graphene oxide in cement-based materials, Constr. Build. Mater., 241, 117939.

[16]. Nguyễn Thị Thu Ngà (2023), Một số yếu tố chính ảnh hưởng đến sự phân tán của graphene oxit trong vữa xi măng, Tạp chí GTVT, e-ISSN 2615-9751, ISSN 2354-0818, số 10.

[17]. Nguyễn Thị Thu Ngà (2024), Ảnh hưởng của graphene oxide đến khả năng làm việc của vữa xi măng, Tạp chí GTVT, e-ISSN 2615-9751, ISSN 2354-0818, số 3.

[18]. Guðmundur Hannesson et al. (2012), The influence of high volume of fly ash and slag on the compressive strength of self-consolidating concrete, Constr. Build. Mater., Doi: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2011.11.046.

BÀI CÙNG CHỦ ĐỀ:
>> Bê tông tự lèn và ưu điểm trong thi công xây dựng
>> Bê tông tự lèn mang lại hiệu quả cao hơn so với loại bê tông thông dụng
>> Những đặc trưng cơ bản của công nghệ bê tông tự lèn trong xây dựng
>> Ưu việt của sàn phẳng Ubot và bê tông tự lèn
>> Bê tông tự lèn cho các điều kiện SX và khí hậu phức tạp: Kết quả nghiên cứu từ nước Nga

VLXD.org (nguồn: tapchixaydung.vn)