Bước đầu sử dụng nano SiO2 điều chế từ tro trấu làm phụ gia cho bê tông asphalt

PGS. TS. Lê Văn Bách Phân hiệu Trường Đại học Giao thông vận tải tại TP. Hồ Chí Minh Người phản biện: TS. Vũ Thế Sơn

TÓM TẮT: Nguồn tro trấu của khu vực miền Tây Nam bộ nước ta hiện nay đang thải ra môi trường rất nhiều, nếu tận dụng được loại vật liệu này không những giải quyết vấn đề về kinh tế mà còn giải quyết về môi trường. Bài báo giới thiệu kết quả bước đầu sử dụng vật liệu nano Sio₂ được điều chế từ tro trấu để làm phụ gia nhằm tăng cường độ cho bê tông asphalt.

TỪ KHÓA: Nano Sio₂, tro trấu, bê tông asphalt.

Abstract: Currently, after rice production in our country Southern West provinces, a huge amount of rice husk ash is released to the environment. If this material can be utilized, it can solve not only the economic problems but also the environmental issues sustainably. This paper presents the initial result of using Sio₂ nano product made of from rice husk ash as an additive to asphalt concrete.

KEYWORDS: Nano Sio₂, rice husk ash, asphalt concrete.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Vỏ trấu sau khi cháy, các thành phần hữu cơ sẽ chuyển hóa thành tro chứa các thành phần oxit kim loại. Oxit silic (SiO₂) là chất có tỷ lệ phần trăm về khối lượng cao nhất trong tro trấu, chiếm khoảng 80 - 90%. Nếu tận thu được nguồn SiO₂ sẽ có ý nghĩa rất lớn, chúng ta sẽ không cần nhập khẩu SiO₂ và vấn đề ô nhiễm môi trường do tro trấu gây nên cũng được cải thiện đáng kể.

Các tác giả Nguyễn Văn Hưng, Nguyễn Ngọc Bích, Nguyễn Hữu Nghị, Trần Hữu Bằng, Đặng Thị Thanh Lê đã điều chế vật liệu nano SiO₂ từ tro trấu bằng phương pháp sol - gel [1].

Diện tích bề mặt riêng của vật liệu nano SiO₂ là 258,3m²/gam, kích thước hạt từ 15 - 20nm. Như vậy, vật liệu SiO₂ điều chế được từ tro trấu có diện tích bề mặt riêng khá lớn và cũng phù hợp với các kết quả chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) và chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Từ ảnh SEM (Hình 1.3) và ảnh TEM (Hình 1.4) nhận thấy, mẫu SiO₂ ở dạng vi tinh thể gồm nhiều hạt nhỏ kết tụ lại với nhau tạo nên các khối SiO₂ có cấu trúc xốp [1]. Đây là đặc điểm quan trọng giúp cho vật liệu SiO₂ tách từ tro trấu có đặc tính hấp phụ tốt cũng như giúp tăng nhanh quá trình khoáng hóa khi được sử dụng làm chất phụ gia khoáng cho bê tông asphalt.

2. KẾT QUẢ SỬ DỤNG VẬT LIỆU NANO SIO₂ LÀM PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG ASPHALT

2.1. Kiểm tra, đánh giá kết quả vật liệu đầu vào

- Cốt liệu lớn: Đá dùng để chế tạo bê tông nhựa C12.5 gồm 3 loại đá: Đá 5x13, đá 5x10 và đá mạt.

- Bột khoáng: Bột khoáng có tỷ diện rất lớn, vào khoảng 250 - 300m²/kg, nó có ái lực mạnh với nhựa, biến nhựa vốn ở trạng thái khối, giọt thành trạng thái màng mỏng, bao bọc các hạt khoáng vật. Bột khoáng có một tác dụng như một chất phụ gia làm cho nhựa tăng thêm độ nhớt, thêm khả năng dính kết, tăng tính ổn định nhiệt [2].

- Nhựa đường: Loại nhựa đường đặc nóng 60/70 của Petrolimex.

- Nano SiO₂ có các đặc tính [1]:

+ Thành phần nguyên tử chủ yếu là Si (28,78%) và O (57,92%), tỷ lệ % nguyên tử Si/O xấp xỉ ½;

+ Kích thước hạt 15 - 20nm;

+ Diện tích bề mặt riêng xấp xỉ 258,3m²/gam;

+ Mẫu SiO₂ ở dạng vi tinh thể gồm nhiều hạt nhỏ kết tụ lại với nhau tạo nên các khối SiO₂ có cấu trúc xốp.

2.2. Thí nghiệm độ ổn định Marshall

Vật liệu và các thí nghiệm được thực hiện tại Công ty Cổ phần BMT [2]. Sau khi có kết quả kiểm tra vật liệu đầu vào, tiến hành công tác thiết kế cấp phối bê tông asphalt theo phương pháp Marshall (theo TCVN 8860-1:2011).

Thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt có sử dụng phụ gia nano SiO₂ là lựa chọn được cấp phối cốt liệu hợp lý và hàm lượng bi-tum tối ưu về mặt kinh tế mà vẫn thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật. Hỗn hợp bê tông asphalt có sử dụng phụ gia nano SiO₂ lựa chọn nhằm thỏa mãn những tính năng sau [2]:

- Đủ cường độ nhằm thỏa mãn các yêu cầu giao thông mà không bị biến dạng;

- Đủ độ rỗng dư của hỗn hợp sau khi lu lèn và cho phép mặt đường được đầm nén thêm nhờ tải trọng của các phương tiện giao thông chạy trên đường, nhờ sự giãn nở của bi-tum do nhiệt độ gia tăng nhưng mặt đường không bị chảy bi-tum hay mất mát độ bền;

- Đủ độ công tác để việc rải hỗn hợp có hiệu quả mà không làm phân tầng vật liệu cũng như không làm giảm độ bền và khả năng làm việc của kết cấu.

Thiết kế bê tông asphalt có sử dụng phụ gia nano SiO₂ là quá trình thí nghiệm để lựa chọn ra hàm lượng nhựa bi-tum tối ưu trong hỗn hợp bê tông asphalt có sử dụng phụ gia nano SiO₂ nhằm thỏa mãn hai yếu tố: Tính chất liên quan đến đặc tính thể tích và tính chất cơ học theo quy định của phương pháp thiết kế.

Hình 2.1: đường cong cấp phối hỗn hợp sau khi phối trộn

Việc chế tạo mẫu bê tông nhựa C12.5 ở đây là thay thế một phần bột khoáng bằng phụ gia nano SiO₂ với tỉ lệ thay thế lần lượt là: 0,3%, 0,6%, 0,9%, 1,2% và 1,5% về mặt khối lượng.

Hình 2.2: Chế bị mẫu với các tỷ lệ: 0%, 0,3%, 0,6%, 0,9%, 1,2% và 1,5% vật liệu nano SiO2 thay thế bột khoáng trong bê tông asphalt

Từ kết quả thí nghiệm lựa chọn được hàm lượng nhựa tối ưu của hỗn hợp là 5,33%. Kết quả thí nghiệm được thống kê như Bảng 2.1.

Như vậy, kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật ở trên thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu tại TCVN 8819:2011.

Bảng 2.1. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật BTNC12.5 có sử dụng phụ gia nano SiO₂

STT	Tỷ lệ nano SiO2, %	Khối lượng thể tích (g/cm3)	Độ rỗng dư, (%)	Độ rỗng cốt liệu, (%)	Độ rỗng lấp đầy nhựa, (%)	Độdẻo Marshall (mm)	Độ ổn định Marshall (KN)
1	0	2,407	3,76	15,44	75,66	2,73	16,6
2	0,3	2,369	5,79	16,02	63,83	2,1	15,8
3	0,6	2,380	4,86	16,10	69,82	2,55	16,9
4	0,9	2,384	4,63	16,39	71,75	3,0	18,0
5	1,2	2,384	4,41	16,84	73,81	3,02	16,9
6	1,5	2,376	4,57	17,56	73,99	2,89	15,8

 

Kết quả thí nghiệm trên cho ta thấy bê tông nhựa sử dụng 0,9% phụ gia nano SiO₂ có độ ổn ổn định Marshall cao nhất 18,0KN; tăng 8,4% so với bê tông nhựa không sử dụng phụ gia nano SiO₂.

Nano SiO₂ đã làm tăng độ ổn định Marshall của bê tông asphalt là do hạt nano SiO₂ có kích thước rất nhỏ lấp đầy các lỗ rỗng trong bê tông asphalt, giúp cho độ ổn định Marshall bê tông asphalt tăng lên.

2.3. Thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe

Việc chế tạo mẫu bê tông nhựa C12.5 ở đây là thay thế một phần bột khoáng bằng phụ gia nano SiO₂ với tỉ lệ thay thế lần lượt là: 0,5%, 1,0% và 1,5% về mặt khối lượng [3]. Mẫu thí nghiệm có kích thước 320 x 260 x 50mm [5].

Thí nghiệm trong phòng về độ lún vệt bánh xe bằng thiết bị HWTD (Hamburg Wheel Tracking Device) [5].

2.3.1. Mô tả thí nghiệm

- Đơn vị thí nghiệm: Phòng nghiên cứu Phát triển và Thí nghiệm, Công ty Cổ phần Đầu tư xây dựng BMT;

- Mô phỏng trong phòng vệt bánh xe tiêu chuẩn khai thác thực tế ngoài hiện trường so sánh với mô hình thu nhỏ trong phòng thí nghiệm với áp lực do tải trọng bánh xe (bánh xe thép: Đường kính 203±2 mm; chiều rộng 50±5 mm; bánh cao su: Chiều dày lớp cao su: 20±2 mm; chiều rộng 50±5 mm) lên mặt mẫu bê tông nhựa là 710N quay với tốc độ đều 53 vòng/phút [5];

- Thiết bị thí nghiệm (Hình 2.4);

- Thời gian thực hiện thí nghiệm dự kiến cho một mẫu từ 10 - 12 giờ (trung bình 53lượt/phút);

- Số lượt quay bánh xe là 10.000 chu kỳ (20.000 lượt) cho mẫu bê tông nhựa;

- Điều kiện thí nghiệm: Theo phương pháp B của Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT [5]:

 + Số lượt quay bánh xe là: 10.000 chu kỳ (20.000lượt);

 + Môi trường thí nghiệm: Không khí;

 + Nhiệt độ thí nghiệm: 60⁰C.

- Lập trình chế độ thí nghiệm đã cài đặt, trong đó hệ thống đo chiều sâu vệt hằn tự động bằng bộ cảm biến, hệ thống đếm vòng được cài tự động theo máy chính.

- Sau khi kết thúc thí nghiệm lấy mẫu ra khỏi máy, in kết quả (Hình 2.5 và 2.6).

Kết quả thí nghiệm được thống kê ở Bảng 2.2:

Bảng 2.2. Chiều sâu vệt lún ứng với các tỉ lệ nano SiO₂ và số chu kỳ tác dụng của tải trọng

STT	Số chu kỳ tác dụng, lần	Chiều sâu vệt lún (mm) với các tỉ lệ nano SiO2
		0%	0,5%	1%	1,5%
1	0.00	0,00	0,00	0,00	0,00
2	2.000	3,55	3,55	3,55	3,65
3	4.000	4,75	4,15	4,15	4,45
4	6.000	5,61	4,62	4,72	5,22
5	8.000	6,18	5,08	5,38	6,75
6	10.000	6,85	5,59	5,82	7,91
7	12.000	7,75	6,00	6,20	9,25
8	14.000	8,91	6,61	6,81	11,17
9	15.000	9,40	6,90	7,20	12,10

- Ở 15.000 chu kỳ tác dụng của tải trọng, chiều sâu hằn lún vệt bánh xe của mẫu thử có từ 0,5 đến 1% nano SiO₂ lần lượt là 6,9mmm và 7,2mm (giảm từ 30,6% đến 36,2% so với mẫu thử không có nano SiO₂).

- Khi tăng hàm lượng nano SiO₂ lên 1,5% thì chiều sâu hằn lún vệt bánh xe của mẫu thử tăng lên 12,1mm (tăng 28,7% so với mẫu thử không có nano SiO₂).

Nhận xét: Khi thay thế từ 0,5% đến 1% bột khoáng bởi nano SiO₂ trong thành phần của bê tông asphalt sẽ làm giảm được chiều sâu hằn lún vệt bánh xe từ 30,6% đến 36,2%, nhưng nếu thay thế đến 1,5% bột khoáng bởi nano SiO₂ trong thành phần của bê tông asphalt sẽ làm tăng chiều sâu hằn lún vệt bánh xe lên 28,7%.

Hình 2.7: Biểu đồ quan hệ giữa số chu kỳ tác dụng của tải trọng và chiều sâu vệt lún bánh xe ứng với các tỉ lệ nano SiO2 khác nhau

3. KẾT LUẬN

Kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy việc thay thế bột khoáng trong bê tông asphalt bởi nano SiO₂ điều chế từ tro trấu với hàm lượng từ 0,5% đến 1% sẽ làm tăng độ ổn định Marshall cũng như làm giảm được hằn lún vệt bánh xe cho bê tông asphalt.

Từ những kết quả trên chúng tôi cho rằng, vật liệu nano SiO₂ điều chế từ tro trấu có triển vọng ứng dụng làm phụ gia cho bê tông asphalt và ứng dụng trong ngành vật liệu xây dựng.

Tàı liệu tham khảo

 [1]. Nguyễn Văn Hưng, Nguyễn Ngọc Bích, Nguyễn Hữu Nghị, Trần Hữu Bằng, Đặng Thị Thanh Lê (15/12/2014), Tổng hợp và khảo sát khả năng hấp thụ xanh Methylen trên vật liệu SiO₂ tinh thể nano, Tạp chí Hóa học, số 5A52/2014.

[2]. Nguyễn Trần Hoàng Vũ (2015), Nghiên cứu sử dụng vật liệu Nano SiO₂ điều chế từ tro trấu làm phụ gia cho bê tông nhựa, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật.

[3]. Nguyễn Ngọc Minh Hoàng (2016), Nghiên cứu sử dụng vật liệu nano SiO₂ điều chế từ tro trấu làm phụ gia nhằm giảm thiểu vệt lún bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật.

[4]. TCVN8819-2011 (2011), Mặt đường bê tông nhựa nóng - Yêu cầu thi công và nghiệm thu, Hà Nội.

[5]. Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT ngày 29/4/2014 của Bộ trưởng Bộ GTVT về việc Ban hành Quy định kỹ thuật về phương pháp thử độ sâu vệt hằn bánh xe của bê tông nhựa xác định bằng thiết bị Wheel tracking.