Kết luận kỹ thuật
Những điểm chính của bài viết
Phân tích tác động của microsilica đến cấp phối hạt, lưu biến, thủy hóa và liên kết sợi–nền UHPC, kèm các phép thử tránh dùng quá liều.
Xác định mục tiêu và điều kiện làm việc trước khi chọn chỉ tiêu kiểm soát.
Xác nhận hàm lượng, độ phân tán và tính tương thích bằng vật liệu thực tế.
So sánh độ ổn định lô, COA, bao bì và năng lực cung ứng lâu dài.
Phân tích tác động của microsilica đến cấp phối hạt, lưu biến, thủy hóa và liên kết sợi–nền UHPC, kèm các phép thử tránh dùng quá liều.
Chỉ dùng các khoảng giá trị để sàng lọc ban đầu; cần xác nhận cấp sản phẩm và hàm lượng bằng vật liệu, trình tự trộn và điều kiện làm việc thực tế.
1. Hiệu ứng lăn bi – bôi trơn của các hạt hình cầu có kích thước dưới micromet
Microsilica chủ yếu bao gồm các hạt silicon dioxide vô định hình hình cầu cực mịn, kích thước hạt nguyên sinh của chúng nhỏ hơn nhiều so với hạt xi măng thông thường.
Khi microsilica có thể phân tán đầy đủ và đồng đều trong hỗn hợp UHPC, các hạt hình cầu siêu mịn có thể len lỏi vào giữa các hạt xi măng, giúp giảm một phần lực ma sát giữa các hạt trong quá trình cắt và chảy, tạo ra tác dụng bôi trơn tương tự như “bi lăn”.
Tác dụng này giúp:
- Giảm ma sát nội tại giữa các hạt;
- Cải thiện tính lưu động của hỗn hợp có tỷ lệ nước/xi măng thấp;
- Giảm hiện tượng kết tụ cục bộ và hiện tượng cầu nối giữa các hạt;
- Nâng cao khả năng bao bọc cát thạch anh và sợi thép của hỗn hợp.
Tuy nhiên, hiệu ứng bi lăn không phải tự động xuất hiện ở tất cả các loại microsilica.
Trong nghiên cứu về ảnh hưởng của các loại microsilica khác nhau đối với tính lưu động của UHPC, Wang và các cộng sự đã phát hiện ra rằng tỷ lệ lỗ rỗng của hạt thấp, mật độ đống cao, phân bố kích thước hạt rộng và hợp lý, cùng với hàm lượng carbon thấp, sẽ có lợi hơn cho việc nâng cao tính lưu động của UHPC thông qua hiệu ứng bi lăn và hiệu ứng dẻo hóa.
Điều này có nghĩa là, đối với UHPC, giá trị lưu biến của microsilica không chỉ được quyết định bởi kích thước hạt trung bình, mà còn chịu ảnh hưởng chung của hình thái hạt, mức độ kết tụ, dải kích thước hạt và hàm lượng tạp chất.
Nếu microsilica bị kết tụ nghiêm trọng, các hạt submicron ban đầu có thể tham gia vào quá trình trộn dưới dạng các cụm kết tụ lớn. Lúc này, không chỉ khó phát huy tác dụng của chất độn vi mô và hiệu ứng bi lăn, mà còn có thể làm tăng lượng nước cần thiết cho hỗn hợp, làm tăng độ nhớt dẻo và làm suy yếu hiệu quả phân tán của chất giảm nước polycarboxylate.
Do đó, cách diễn đạt chính xác hơn không phải là “bột silic siêu mịn càng mịn thì hiệu ứng bi lăn càng mạnh”, mà là:
Trong điều kiện phân tán đầy đủ và phân cấp hạt hợp lý, các hạt siêu mịn hình cầu có thể phát huy hiệu quả hơn trong vai trò “hạt bi” và bôi trơn.
2. Lấp đầy các khoảng trống cỡ micromet và submicromet trong cấu trúc phân cấp hạt
Độ bền cao và độ bền lâu dài của UHPC, về bản chất, xuất phát từ cấu trúc xếp chồng hạt đa quy mô có độ đặc cao.
Trong hệ thống UHPC điển hình, các vật liệu khác nhau đảm nhận các khoảng kích thước hạt khác nhau:
Cát thạch anh tạo nên khung xương cốt liệu mịn, xi măng và bột thạch anh lấp đầy các khoảng trống lớn trong khung xương, trong khi bột silic siêu mịn tiếp tục lấp đầy các khoảng trống ở cấp độ micromet và submicromet giữa các hạt xi măng.
Microsilica ở đây không chỉ đơn thuần là “thêm một loại bột”, mà còn bổ sung các khoảng kích thước hạt còn thiếu giữa xi măng, bột thạch anh và cát mịn, giúp phân bố hạt thực tế gần với đường cong xếp chồng liên tục hơn.
Khi thiết kế UHPC bằng các phương pháp xếp chồng hạt như mô hình Modified Andreasen và Andersen, một trong những vai trò quan trọng của microsilica là nâng cao mức độ phù hợp của hệ thống bột với đường cong phân cấp mục tiêu, đồng thời giảm khoảng trống còn lại sau khi các hạt được xếp chồng. Các nghiên cứu liên quan đã sử dụng mô hình này để thiết kế các hệ thống UHPC và UHPFRC có nền vật liệu có độ đặc cao.
Sau khi phân cấp được tối ưu hóa, sẽ mang lại một số kết quả trực tiếp:
Thứ nhất, giảm khoảng trống ban đầu cần được lấp đầy bằng nước và hỗn hợp vữa.
Thứ hai, tạo ra khung xương rắn liên tục hơn ở cùng tỷ lệ nước/vật liệu kết dính.
Thứ ba, giảm các lỗ rỗng lớn cục bộ và các vùng yếu.
Thứ tư, tạo ra không gian phát triển đồng đều hơn cho các sản phẩm thủy hóa sau này.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng mật độ xếp chồng khô lý thuyết cao không đồng nghĩa với việc tính năng thực tế của UHPC nhất thiết phải tốt hơn.
Độ dày màng nước trong UHPC, sự hấp phụ của chất giảm nước, sự kết tụ bột, hàm lượng khí và sự xáo trộn của sợi thép đều có thể khiến trạng thái tích tụ ướt thực tế lệch khỏi tính toán lý thuyết. Do đó, mô hình tích tụ hạt phải được kết hợp với các thử nghiệm lưu biến, kiểm tra hàm lượng khí và xác minh tính chất cơ học.
3. Quá trình lấp đầy vi mô, hình thành hạt nhân và phản ứng với tro núi lửa không phải là cùng một quá trình
Đóng góp của microsilica vào cấu trúc vi mô của UHPC có thể được chia thành ba tác động có liên quan lẫn nhau nhưng xảy ra vào các thời điểm khác nhau.
Tác dụng lấp đầy vật lý
Trong giai đoạn trộn và đúc, microsilica trước tiên lấp đầy các khe hở siêu nhỏ giữa xi măng và bột thạch anh, làm giảm các khuyết tật ban đầu và không gian hình thành lỗ rỗng mao dẫn.
Tác dụng này đã tồn tại trước khi phản ứng thủy hóa diễn ra trên quy mô lớn.
Hiệu ứng tạo mầm
Các hạt microsilica phân tán đồng đều có thể cung cấp nhiều vị trí tạo mầm hơn cho các sản phẩm thủy hóa của xi măng, thúc đẩy sự kết tủa của các sản phẩm thủy hóa như C-S-H trên bề mặt hạt.
Các nghiên cứu cho thấy, tác dụng tạo mầm của microsilica cùng với khả năng hấp phụ ưu tiên đối với chất giảm nước polycarboxylic có thể rút ngắn thời gian khởi động của hỗn hợp UHPC, đồng thời thúc đẩy quá trình thủy hóa và tỏa nhiệt sớm của xi măng.
Phản ứng pozzolan
Trong giai đoạn thủy hóa tiếp theo, SiO₂ vô định hình hoạt tính trong microsilica phản ứng với Ca(OH)₂ được tạo ra từ quá trình thủy hóa xi măng, tạo thành gel C-S-H bổ sung.
Quá trình này giúp giảm bớt các tinh thể hydroxit canxi tương đối yếu, làm mịn thêm các lỗ rỗng và cải thiện cấu trúc nền cũng như vùng chuyển tiếp giữa các bề mặt.
Một nghiên cứu năm 2024 sử dụng titan dioxit trơ làm vật liệu đối chứng đã tách biệt tác dụng lấp đầy vật lý và tác dụng phản ứng hóa học của microsilica. Kết quả cho thấy, microsilica trong UHPC không chỉ phát huy tác dụng thông qua phản ứng pozzolan. các tác dụng lấp đầy, tạo mầm, hấp phụ chất giảm nước và phản ứng giai đoạn sau đều có những đóng góp khác nhau ở các độ tuổi khác nhau.
Điều này cũng giải thích tại sao trong UHPC có tỷ lệ nước/xi măng cực thấp, việc “tăng hàm lượng microsilica” không nhất thiết sẽ liên tục làm tăng cường độ.
Khi lượng nước hiệu dụng trong hệ thống không đủ, quá trình thủy hóa xi măng bị hạn chế, hoặc khi microsilica có hiện tượng kết tụ rõ rệt, lượng microsilica dư thừa có thể chủ yếu hoạt động như chất độn có diện tích bề mặt riêng cao, thay vì hoàn thành đầy đủ phản ứng pozzolan như mong đợi.
4. Microsilica cũng ảnh hưởng đến sự phân tán và độ bám dính bề mặt của sợi thép
Khả năng chịu uốn, chịu kéo và khả năng chịu tải sau khi nứt của UHPC không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng sợi thép, mà còn phụ thuộc vào việc sợi thép có được phân bố đồng đều hay không, cũng như liệu có thể hình thành độ bám dính thích hợp giữa sợi và nền hay không.
Microsilica có thể tăng cường sự kết dính, ma sát và tác dụng cắn khớp cơ học giữa sợi thép và hỗn hợp bằng cách làm mịn các lỗ rỗng xung quanh sợi, nâng cao độ đặc của nền và cải thiện cấu trúc giao diện.
Tuy nhiên, đồng thời, microsilica cũng làm thay đổi ứng suất chảy và độ nhớt dẻo của hỗn hợp.
Nếu độ nhớt của hỗn hợp quá thấp, sợi thép có thể bị lắng đọng hoặc mất kiểm soát định hướng; nếu độ nhớt quá cao, có thể dẫn đến hiện tượng sợi thép vón cục, khó thoát bọt khí và giảm độ chảy.
Trong nghiên cứu năm 2019, Wu, Khayat và Shi đã thiết lập hàm lượng microsilica từ 0% đến 25% so với khối lượng vật liệu kết dính. Kết quả thí nghiệm cho thấy, trong điều kiện công thức và vật liệu của nghiên cứu này, UHPC có hàm lượng microsilica từ 10% đến 15% đạt được tính chất kết dính sợi-mật, khả năng chịu uốn và khả năng chịu kéo cao.
Nghiên cứu cho rằng phạm vi hàm lượng này giúp hỗn hợp vữa duy trì độ nhớt tương đối thấp và phân bố sợi thép đồng đều hơn.
Một nghiên cứu khác lại phát hiện ra rằng, trong hệ thống UHPC cụ thể của họ, việc bổ sung 20% microsilica có thể nâng cao tính chất cơ học và giảm hệ số khuếch tán ion clorua, đồng thời tăng cường sự tương tác giữa sợi thép và nền.
Hai kết quả này không mâu thuẫn với nhau, mà ngược lại, cho thấy một vấn đề quan trọng:
UHPC không có “tỷ lệ pha trộn microsilica tối ưu duy nhất” tách biệt khỏi các nguyên liệu cụ thể và hệ thống công thức.
Lượng pha trộn tối ưu sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như thành phần xi măng, độ mịn của bột thạch anh, phân cấp hạt cát, tỷ lệ nước/xi măng, loại chất giảm nước, thông số kỹ thuật của sợi thép, năng lượng trộn và chế độ bảo dưỡng.
5. Không nên chỉ xem xét hàm lượng SiO₂ khi sử dụng microsilica cho UHPC
Các tiêu chuẩn như ASTM C1240 có thể được coi là ngưỡng chất lượng cơ bản để microsilica được ứng dụng trong vật liệu nền xi măng, nhưng đối với UHPC, việc chỉ đáp ứng các tiêu chuẩn chung thường là chưa đủ.
Khi lựa chọn sản phẩm thực tế, cần tập trung xem xét:
Phân bố hạt và tỷ lệ lỗ rỗng: Có thể bổ sung các khoảng trống còn thiếu trong phân cấp của xi măng và bột thạch anh hiện có hay không.
Hình thái hạt nguyên sinh và trạng thái kết tụ: Có thể phân tán hiệu quả trong thiết bị trộn hiện có hay không.
Mức độ nén chặt: Mức độ nén chặt có phù hợp với phương thức nạp nguyên liệu, năng lượng trộn và nhịp độ sản xuất hay không.
Lượng mất do nung và hàm lượng carbon: Lượng carbon dư quá cao có thể làm tăng sự hấp phụ của phụ gia và ảnh hưởng đến tính lưu động cũng như hệ thống khí.
Khả năng tương thích với chất giảm nước polycarboxylic (PCE): Cùng một loại microsilica có thể thể hiện độ chảy và khả năng giữ độ sụt khác biệt rõ rệt trong các hệ thống PCE khác nhau.
Tính nhất quán giữa các lô: UHPC có tỷ lệ nước/xi măng thấp và hàm lượng bột cao, do đó rất nhạy cảm với sự biến động của nguyên liệu thô; ngay cả những thay đổi nhỏ cũng có thể dẫn đến biến động về tính lưu biến và độ bền.
Ảnh hưởng đến co ngót và tỏa nhiệt: Tác dụng tạo mầm của microsilica có thể đẩy nhanh quá trình thủy hóa ban đầu, đồng thời làm tăng nguy cơ tỏa nhiệt sớm và co ngót tự nhiên. Các nghiên cứu liên quan chỉ ra rằng, việc cải thiện sự phân tán của microsilica và điều chỉnh hoạt tính ban đầu của nó có thể thay đổi đáng kể quá trình thủy hóa và tính chất ban đầu của UHPC.
6. Phương pháp đánh giá microsilica trong UHPC đáng tin cậy hơn
Đối với các doanh nghiệp sản xuất UHPC, việc đánh giá microsilica không nên chỉ dừng lại ở báo cáo kiểm nghiệm hóa học, mà cần được kiểm chứng trong hệ thống công thức thực tế.
Đề nghị thực hiện ít nhất bốn cấp độ thử nghiệm sau:
Xác minh phân bố cỡ hạt
Nhập phân bố kích thước hạt thực tế của xi măng, microsilica, bột thạch anh và cát thạch anh vào mô hình tích tụ hạt, phân tích mức độ phù hợp của phân bố kích thước hạt trước và sau khi thêm microsilica cũng như tỷ lệ rỗng lý thuyết.
Xác minh tính chất lưu biến
Ngoài độ giãn nở, cần chú ý đến ứng suất chảy của hỗn hợp, độ nhớt dẻo, khả năng duy trì tính chảy và khả năng phục hồi cấu trúc sau khi trộn.
Hai công thức có cùng độ giãn nở có thể có độ nhớt và trạng thái phân tán sợi hoàn toàn khác nhau.
Xác minh sự phân bố sợi thép
Thông qua việc cắt lát, phân tích hình ảnh hoặc lấy mẫu tại các vị trí khác nhau của cấu kiện, đánh giá xem sợi thép có bị vón cục, lắng đọng hoặc định hướng rõ rệt hay không.
Kiểm chứng tính năng tổng hợp
Cần đồng thời thử nghiệm cường độ nén, tính chất uốn hoặc kéo, hành vi kéo sợi, co ngót tự nhiên, hàm lượng khí và các chỉ số về độ bền, thay vì chỉ dựa vào cường độ nén sau 28 ngày để đánh giá.
Kết luận
Giá trị của microsilica trong UHPC không chỉ đơn thuần là “tăng hàm lượng SiO₂ hoạt tính”, cũng không phải là “tăng cường hiệu ứng bi nano” một cách chung chung.
Giá trị thực sự của nó nằm ở việc tham gia vào quá trình thiết kế vật liệu đa quy mô:
điều chỉnh tính lưu biến thông qua tác dụng lăn bi – bôi trơn của các hạt hình cầu có kích thước dưới micromet, tối ưu hóa sự xếp chồng của các hạt thông qua bù đắp kích thước hạt, giảm khuyết tật ban đầu thông qua việc lấp đầy vi mô, tái cấu trúc các sản phẩm thủy hóa thông qua quá trình tạo mầm và phản ứng với tro núi lửa, đồng thời cải thiện giao diện giữa sợi thép và nền vật liệu thông qua quá trình nén chặt.
Do đó, microsilica chất lượng cao dùng cho UHPC không nên chỉ theo đuổi độ tinh khiết cao hơn hoặc diện tích bề mặt riêng lớn hơn, mà cần phải có:
phân bố hạt hợp lý, trạng thái kết tụ có thể kiểm soát, khả năng tương thích tốt với chất giảm nước, hiệu suất ổn định giữa các lô sản xuất, cũng như khả năng phân tán phù hợp với quy trình sản xuất UHPC mục tiêu.
UHPC không cần loại microsilica có các chỉ số cao nhất, mà cần loại microsilica có thể đạt được sự cân bằng về phân cấp hạt, tính lưu biến, quá trình thủy hóa và phân bố sợi trong công thức cụ thể.
