Silica fume là gì? Các công bố khoa học về Silica fume

Silica fume là gì

Silica fume, hay microsilica, là phụ gia khoáng hoạt tính có nguồn gốc từ quá trình luyện hợp kim silicon và ferro-silicon trong lò hồ quang. Vật liệu này bao gồm các hạt silica vô định hình có kích thước siêu mịn, thường nhỏ hơn 1 micromet và có diện tích bề mặt rất lớn. Nhờ tính chất này, silica fume được sử dụng rộng rãi trong sản xuất bê tông chất lượng cao nhằm tăng độ bền và giảm tính thấm.

Silica fume có khả năng phản ứng pozzolan mạnh, nghĩa là nó phản ứng với Ca(OH)₂ – sản phẩm phụ của thủy hóa xi măng – để tạo thêm các hợp chất C-S-H có vai trò quan trọng trong cấu trúc bê tông. Khi được bổ sung vào hỗn hợp xi măng, silica fume giúp cải thiện đáng kể mật độ ma trận xi măng và thay đổi cấu trúc lỗ rỗng theo hướng giảm kết nối mao quản. Điều này giúp bê tông đạt độ đặc chắc cao, tăng khả năng chịu tải và chống xâm nhập chất gây hại.

Silica fume được chuẩn hóa trong nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật, như ASTM C1240 và EN 13263, nhằm đảm bảo thành phần hóa học ổn định, hàm lượng tạp chất thấp, độ mịn đạt yêu cầu và tính hoạt tính phù hợp cho các mục đích xây dựng. Các ngành công nghiệp xây dựng, cơ sở hạ tầng và vật liệu tiên tiến đều sử dụng silica fume trong nhiều loại vật liệu, từ bê tông hiệu năng cao (HPC) đến bê tông siêu tính năng (UHPC).

• Hạt silica vô định hình kích thước cực nhỏ
• Hoạt tính pozzolan mạnh, tạo thêm C-S-H
• Áp dụng trong HPC và UHPC

Nguồn gốc và quy trình tạo thành

Silica fume hình thành từ quá trình sản xuất ferro-silicon hoặc silicon kim loại trong lò hồ quang, nơi silic được nung chảy ở nhiệt độ rất cao. Một phần silic bốc hơi và phản ứng với oxy trong khí lò tạo thành các hạt SiO₂ siêu nhỏ. Những hạt này được giải phóng cùng khí thải và được thu gom bằng hệ thống lọc túi khí nhằm tránh phát tán ra môi trường.

Các hạt silica fume sau khi thu gom thường tồn tại ở dạng bột mịn hoặc dạng kết tụ, cần được xử lý lại để đạt độ đồng nhất. Quy trình phân loại và nén nhẹ được áp dụng để giảm bụi, tạo dạng sản phẩm dễ vận chuyển và trộn trong bê tông. Việc kiểm soát quy trình sản xuất bảo đảm hàm lượng SiO₂ cao, mức độ tạp chất kim loại thấp và độ hoạt tính ổn định.

Nhiều nhà sản xuất quốc tế như Elkem (elkem.com) cung cấp silica fume theo tiêu chuẩn nghiêm ngặt, đảm bảo phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi chất lượng cao. Nguồn gốc công nghiệp của silica fume cũng giúp giảm thiểu chất thải rắn từ ngành luyện kim, phù hợp định hướng vật liệu bền vững và kinh tế tuần hoàn.

• Sản phẩm phụ của lò hồ quang công nghiệp
• Thu gom bằng hệ thống lọc túi khí
• Đóng góp vào giảm phát thải chất rắn

Đặc tính vật lý và hóa học

Silica fume có cấu tạo chủ yếu từ silica vô định hình (SiO₂) với hàm lượng thường đạt từ 85 đến 98% khối lượng. Hạt silica fume thường có kích thước chỉ bằng 1/50 đến 1/100 hạt xi măng, tạo hiệu ứng lấp đầy mạnh giúp giảm đáng kể các lỗ rỗng mao quản trong bê tông. Tính chất vật lý nổi bật nhất của silica fume là diện tích bề mặt rất lớn, dao động trong khoảng 15.000–30.000 m²/kg.

Ở mức độ hóa học, silica fume có tính pozzolan rất cao. Khi phản ứng với Ca(OH)₂, nó tạo thành thêm lượng lớn gel C-S-H, hợp chất chính tạo nên cường độ của bê tông. Nhờ vậy, sự bổ sung silica fume làm tăng tốc độ phát triển cường độ và nâng cao độ bền lâu dài. Hàm lượng oxit tạp như Al₂O₃, Fe₂O₃ hay Na₂O cần được kiểm soát để tránh ảnh hưởng tới tính ổn định của bê tông.

Đặc tính siêu mịn khiến silica fume dễ kết khối nếu không được trộn đúng kỹ thuật, do đó cần sử dụng phụ gia siêu dẻo để đảm bảo tính công tác trong bê tông. Việc tối ưu hàm lượng silica fume thường nằm trong khoảng 5–15% khối lượng xi măng.

Thuộc tính	Giá trị điển hình
Hàm lượng SiO₂	85–98%
Kích thước hạt	< 1 µm
Diện tích bề mặt	15.000–30.000 m²/kg

Vai trò của silica fume trong bê tông

Silica fume cải thiện đáng kể cấu trúc vi mô của bê tông nhờ hiệu ứng lấp đầy và phản ứng pozzolan. Hiệu ứng lấp đầy giúp giảm các lỗ rỗng lớn, đồng thời làm cho bê tông đặc chắc và ổn định hơn. Phản ứng pozzolan tạo thêm gel C-S-H, giúp tăng mức độ liên kết trong ma trận xi măng và hỗ trợ phát triển cường độ.

Bê tông chứa silica fume có cường độ nén và độ bền uốn cao hơn đáng kể so với bê tông thông thường. Vật liệu này cũng tăng khả năng chống thấm, giảm độ hút nước và hạn chế sự xâm nhập của ion chloride – yếu tố gây ăn mòn cốt thép trong môi trường biển. Đồng thời, bê tông có silica fume cho khả năng kháng sulphate và kháng hóa chất tốt hơn.

Do những đặc tính vượt trội, silica fume được sử dụng trong các công trình chịu môi trường khắc nghiệt như hải cảng, cầu đường, bể chứa hóa chất, nhà máy công nghiệp và kết cấu bê tông dự ứng lực. Nhiều hướng dẫn kỹ thuật của ACI (concrete.org) nêu rõ tiêu chuẩn sử dụng silica fume cho các loại bê tông hiệu năng cao.

• Tăng cường độ và độ đặc chắc
• Kháng chloride và sulphate vượt trội
• Ứng dụng trong môi trường biển và công trình trọng điểm

Ảnh hưởng đến tính chất cơ học của bê tông

Silica fume có tác động sâu rộng đến các đặc tính cơ học của bê tông nhờ khả năng tạo cấu trúc đặc chắc và tăng tỷ lệ C-S-H trong ma trận xi măng. Một trong những cải thiện đáng chú ý nhất là sự tăng mạnh cường độ nén. Khi bổ sung silica fume với hàm lượng tối ưu, cường độ nén của bê tông có thể tăng từ 20 đến hơn 50% so với bê tông truyền thống. Sự gia tăng này đặc biệt rõ rệt trong bê tông hiệu năng cao (HPC) và bê tông siêu tính năng (UHPC), nơi yêu cầu độ bền rất cao.

Cường độ uốn và khả năng chịu kéo gián tiếp của bê tông cũng được cải thiện nhờ sự hình thành mạng C-S-H dày đặc làm tăng độ gắn kết giữa hạt xi măng và cốt liệu. Bê tông chứa silica fume thể hiện khả năng chống nứt tốt hơn trong giai đoạn đầu nhờ giảm co ngót hóa học và tăng độ bền liên kết nội bộ. Tuy nhiên, nếu sử dụng quá nhiều silica fume, nguy cơ co ngót khô tăng và yêu cầu phải kết hợp thêm phụ gia siêu dẻo để duy trì tính công tác.

Khả năng chịu mài mòn, chịu va đập và độ bền lâu dài của bê tông cũng được nâng cao đáng kể. Điều này hỗ trợ sử dụng silica fume trong các công trình chịu tải trọng động như sàn công nghiệp, đường băng sân bay, dầm và cột chịu tải mạnh. Nhờ mật độ cao, bê tông có silica fume giảm tốc độ xâm nhập của nước và các tác nhân gây suy giảm cường độ.

Tính chất cơ học	Mức cải thiện khi dùng Silica fume
Cường độ nén	Tăng 20–50% tùy hàm lượng
Cường độ uốn	Tăng 10–25%
Độ bền mài mòn	Cải thiện đáng kể
Kháng nứt	Ổn định, giảm nứt vi mô

Ảnh hưởng đến độ bền lâu dài

Silica fume làm giảm đáng kể tính thấm của bê tông, từ đó tăng độ bền lâu dài khi tiếp xúc với môi trường xâm thực. Nhờ cấu trúc đặc chắc, bê tông chứa silica fume có tốc độ thấm chloride thấp hơn nhiều so với bê tông thường. Điều này giúp bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn, đặc biệt trong môi trường biển hoặc nơi sử dụng muối khử băng.

Tính kháng sulphate của bê tông cũng được cải thiện rõ rệt vì silica fume giảm hàm lượng Ca(OH)₂ tự do – chất tham gia phản ứng tạo ettringite gây giãn nở và nứt. Bê tông chứa silica fume có khả năng chịu môi trường chứa sulphate cao, thích hợp cho các công trình xử lý nước thải, cống rãnh và bể chứa hóa chất.

Bê tông có silica fume còn có khả năng chống cacbonat hóa tốt nhờ độ đặc chắc cao. Cacbonat hóa là quá trình CO₂ thâm nhập vào bê tông và làm giảm độ kiềm, dẫn đến ăn mòn cốt thép. Việc sử dụng silica fume làm chậm đáng kể quá trình này, kéo dài tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì.

• Tính thấm thấp, hạn chế xâm nhập chloride
• Kháng sulphate hiệu quả trong môi trường hóa chất
• Giảm tốc độ cacbonat hóa và tăng độ bền cốt thép

Ứng dụng trong xây dựng và vật liệu

Silica fume được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực xây dựng yêu cầu cường độ cao và độ bền lâu dài. Trong bê tông kết cấu, vật liệu này được dùng cho dầm, cột, cầu vượt, các công trình chịu tải trọng động hoặc yêu cầu tuổi thọ kéo dài. Các dự án quy mô lớn như cầu thép bê tông liên hợp, hầm giao thông và nhà cao tầng thường sử dụng silica fume để đạt độ bền cao và giảm nguy cơ nứt.

Trong môi trường biển, silica fume đặc biệt hữu ích vì khả năng chống biển xâm thực. Các bến cảng, cầu cảng, đê chắn sóng và công trình ven biển đều sử dụng bê tông có silica fume để chống lại ăn mòn muối và tác động của sóng. Ngành công nghiệp dầu khí ngoài khơi cũng áp dụng vật liệu này cho các trụ móng giàn khoan nhằm cải thiện độ bền lâu dài.

Bê tông siêu tính năng (UHPC), loại bê tông có cường độ nén trên 150 MPa, không thể đạt hiệu suất tối ưu nếu không sử dụng silica fume. Nhờ khả năng tạo cấu trúc ma trận cực đặc chắc, silica fume giúp UHPC đạt độ bền vượt trội, phù hợp cho các kết cấu mỏng nhẹ, mặt dựng kiến trúc hoặc các cấu kiện đúc sẵn yêu cầu độ chính xác cao.

• Bê tông kết cấu chịu tải trọng lớn
• Công trình biển và công trình dưới nước
• Vật liệu UHPC và cấu kiện đúc sẵn

Các tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng

Nhiều tổ chức quốc tế đã ban hành tiêu chuẩn cho silica fume nhằm đảm bảo chất lượng, tính hoạt tính và khả năng tương thích với vật liệu xi măng. Tiêu chuẩn ASTM C1240 quy định hàm lượng SiO₂ tối thiểu, độ mịn, mất khi nung và mức tạp chất. Tiêu chuẩn EN 13263 quy định phân loại silica fume theo độ tinh khiết và yêu cầu kỹ thuật cho các ứng dụng bê tông.

Hiệp hội Bê tông Hoa Kỳ (ACI) ban hành nhiều hướng dẫn về ứng dụng silica fume, như ACI 234R, nêu chi tiết ưu điểm, giới hạn và tỷ lệ dùng phù hợp. Các tài liệu này cũng đề cập đến yêu cầu trộn, phương pháp kiểm soát chất lượng và kỹ thuật bảo dưỡng thích hợp nhằm đạt hiệu suất tối ưu.

Theo khuyến cáo, hàm lượng silica fume thường nằm trong khoảng 5–15% khối lượng xi măng tùy mục đích sử dụng. Khi sử dụng hàm lượng cao, cần đảm bảo tính công tác bằng cách bổ sung phụ gia siêu dẻo. Ngoài ra, cần kiểm soát chặt chẽ quá trình trộn để giảm hiện tượng kết khối của các hạt siêu mịn.

Tiêu chuẩn	Nội dung chính
ASTM C1240	Yêu cầu kỹ thuật đối với silica fume cho bê tông
EN 13263	Phân loại silica fume và hướng dẫn sử dụng trong châu Âu
ACI 234R	Hướng dẫn ứng dụng và tỷ lệ trộn silica fume

Tài liệu tham khảo

1. ASTM International. ASTM C1240: Standard Specification for Silica Fume Used in Cementitious Mixtures. https://www.astm.org
2. Elkem. Microsilica Product Information. https://www.elkem.com
3. American Concrete Institute. ACI Guidelines for High-Performance Concrete. https://www.concrete.org
4. European Committee for Standardization. EN 13263: Silica Fume for Concrete. https://www.cen.eu