Công nghệ Nano trong xây dựng (Phần 2)

Ngày 04/12/2015 05:28

Chưa có ảnh

 Vật liệu xây dựng liên kết xi măng

a. Bê tông tính năng siêu cao (UHPC)

Bê tông là loại đá nhân tạo được chế tạo từ xi măng, cốt liệu và nước. Hơn 10 tỷ tấn bê tông được sản xuất hàng năm trên khắp thế giới và khiến nó trở thành loại hàng hóa có số lượng lớn nhất do con người tạo ra và cũng là vật liệu xây dựng quan trọng nhất trong công nghiệp xây dựng. Cường độ của bê tông có thể được phân bố tới tận các tinh thể dạng kim có kích thước rất nhỏ (các calcium silicate thủy hóa) liên kết cứng với nhau trong quá trình đóng rắn. Kính hiển vi điện tử có thể được sử dụng để mô tả và nghiên cứu các cấu trúc vi mô ở quy mô nano, bao gồm  phân tích sự tương quan giữa cấu trúc nano của vật liệu xây dựng và các thuộc tính của nó. Điều này cho phép tối ưu hóa mục tiêu định hướng của các vật liệu xây dựng đối với các ứng dụng đặc biệt và nhờ đó, trong những năm gần đây ngành VLXD đã có nhiều sự phát triển mới và cải thiện trong vật liệu. 

Các chất kết dính cấp độ nano có thể đem lại cho bê tông, vật liệu xây dựng truyền thống, các tính chất mới như tính công tác, cường độ và độ bền. Bổ sung các hạt nano SiO2 điền đầy các lỗ rỗng trong bê tông, làm nó trở nên đặc và rắn hơn. Bê tông tính năng siêu cao/cường độ cao cũng chứa các sợi thép cải thiện cường độ uốn. Các loại bê tông như vậy có cường độ tương tự thép, hơn 200 N/mm2. Các phụ gia polymer (ví dụ như keo nhân tạo) giúp tính chảy lỏng và ổn định trạng thái huyền phù xi măng, được sử dụng để phát triển các bê tông tự đầm. Tính năng cường độ cao và mật độ cao của bê tông UHPC có thể tạo ra kết cấu thanh thoát và đặc biệt nhẹ trong xây dựng cầu đường. Chiếc cầu khánh thành năm 2007 bắc qua sông Fulda ở Kassel là chiếc cầu đầu tiên ở Đức sử dụng bê tông tính năng siêu cao UHPC cho các kết cấu chế tạo sẵn. Trong đó, các kết cấu bê tông được liên kết với kỹ thuật liên kết mới. (Hình 1).

                                               

                            Hình 1. Cầu bắc qua sông Fulda ở Kassel - Đức  sử dụng bê tông tính năng siêu cao

Ví dụ khác là cầu Wild-Brücke8 (Carinthia, Austria), khánh thành 10. 2010, là cầu đường bộ cỡ trung bình với các kết cấu đỡ từ bê tông tính năng siêu cao UHPC.

b. Vữa cho công tác sửa chữa bê tông

Các ảnh hưởng bên ngoài, như muối, không khí ẩm, băng giá, và gió mưa kèm theo sự lão hóa và các tải nặng làm hư hại cấu trúc bê tông thông qua sự hình thành các vết nứt cũng như rộp, bong tróc trên bề mặt, do đó công nghiệp xây dựng cũng đã tốn khá nhiều kinh phí cho việc sửa chữa. Các loại vữa sửa chữa mới theo các yêu cầu kỹ thuật của nhà sản xuất dựa trên công nghệ nano, có đặc điểm cải thiện các thuộc tính như mật độ, cường độ uốn, cường độ nén và bền băng giá cao hơn. Chúng cũng góp phần làm giảm tối thiểu hư hại đối với bê tông. Ngoài ra, khối lượng thấp và tính công tác tốt hứa hẹn các ưu điểm bổ sung khi sử dụng. Các nhà sản xuất các loại vữa sửa chữa này nhấn mạnh rằng các thuộc tính được cải thiện của các sản phẩm không chỉ là kết quả của việc bổ sung các hạt nano mà còn là sự hiểu biết chi tiết về thủy hóa xi măng, thể hiện nền tảng của việc cải thiện chất lượng và mật độ của các cấu trúc nano trong hồ xi măng.

c. Các sản phẩm và lớp phủ bê tông hoạt hóa quang xúc tác

Dưới ảnh hưởng của ánh sáng chứa tia UV và nước (độ ẩm), các hạt nano TiO2 làm tăng tốc các phản ứng hóa học. Điều này tạo ra các gốc oxy làm gãy mạch và phân rã vật liệu hữu cơ. Quá trình này được biết đến như quang xúc tác, áp dụng trong công nghiệp xây dựng và kiến trúc để tạo khả năng “ tự làm sạch” các vật liệu xây dựng và để phân hủy các chất ô nhiễm không khí. Khi làm việc trong xi măng hoặc sử dụng trong lớp bề mặt bê tông, hoạt tính quang xúc tác của TiO2 nano giúp phân hủy chất bẩn chứa các chất hữu cơ mà sau đó dễ dàng bị rửa trôi khi gặp mưa. Do vậy vật liệu xây dựng sẽ giữ được ngoại quan ban đầu của nó theo thời gian lâu. Ví dụ là nhà thờ “Jubilee Church” ở Rôm, được xây dựng năm 2003 (Hình 2) với màu trắng bê tông không có dấu hiệu bẩn, thậm chí sau nhiều năm về sau.

                                               

  Hình 2. Nhà thờ “Jubilee Church”, Rome - Italia, sử dụng bê tông hoạt hóa quang xúc tác có khả năng tự làm sạch

Làm sạch không khí là lĩnh vực tiếp theo của ứng dụng các sản phẩm bê tông hoạt hóa quang xúc tác. Trong các khu vực ga tàu điện ngầm, nồng độ cao NOx  từ các phương tiện vận chuyển là vấn đề lớn. Các sản phẩm bê tông, vật liệu ốp và lát có TiO2 quang xúc tác được thiết kế để cải thiện chất lượng không khí thông qua việc chuyển NOx  trong không khí xung quanh thành nitrat. Ứng dụng tiềm năng tiếp theo là giảm ồn bề mặt tường và đường. Trong dự án PICADA (Photocatalytic Innovative Coverings Applications for Depollution Assessment) do EU tài trợ nghiên cứu tính hiệu quả của vữa xi măng hoạt hóa quang xúc tác, kết quả cho thấy lượng NOx đã giảm 40-80%. Giai đoạn từ năm 2005-2009, tính hiệu quả của tường chống ồn với lớp phủ quang xúc tác được nghiên cứu trong các điều kiện thực tế trên các quãng xa lộ tại Hà Lan, và kết quả là không nhận thấy cải thiện chất lượng không khí thông qua việc giảm NOx. Sự giải thích hợp lý cho kết quả này có thể là do tiếp xúc quá ngắn giữa không khí và lớp phủ quang xúc tác bên cạnh các yếu tố khác.

Trong khuôn khổ của dự án nghiên cứu “Photo PAQ”, thực hiện đến năm 2013, tính hiệu quả của các lớp phủ như vậy  được nghiên cứu tại khu vực trong đường hầm tại Brussel.

Hiện nay xi măng đặc biệt với TiO2 nano hiện còn đắt hơn so với xi măng thông dụng. 

d. Ổn định nền đất trong thi công đường

Nhằm bảo vệ đường khỏi hư hại do băng giá thì nền đường phải được thi công đúng. Các chất phân tán polymer mới với SIO2  nano được trộn vào xi măng để kéo dài tuổi thọ của đường, đồng thời tăng tính công tác. Tương tự bê tông tính năng siêu cao, các hạt nano SiO2 điền đầy khoảng trống giữa các hạt của bê tông, tạo sự đồng nhất và làm matrix bê tông đặc biệt đặc. Ngoài ra, các chất polymer khi phân tán có tác dụng đẩy nước ra. Điều này sẽ làm giảm khả năng hấp thụ nước của nền đường và cải thiện độ bền băng giá. Các phụ gia hữu cơ mới này hứa hẹn các ưu điểm mới: các vật liệu tại chỗ (cát, sét hay đất đào) có thể sử dụng cho nền đường, nhờ đó có thể giảm khâu vận chuyển vật liệu từ nơi này đến nơi khác; quá trình đông kết của các tác nhân kết dính như xi măng và phụ gia hóa học có thể xảy ra khi sử dụng nước ngọt hoặc nước mặn, và ở cả nhiệt độ dưới -10°C. Theo nhà sản xuất, các chất phân tán nano polymer này cũng thích hợp để gắn kết và tạo lớp nền trong các dự án thủy lợi và công trình thoát nước cũng như thi công đập và xử lý nền công trình.

=>  Xem lại phần 1

Trung tâm Thông tin (Theo Nanowerk)