Tạp chí Hóa học, 55(3): 298-302, 2017 DOI: 10.15625/0866-7144.2017-00462 Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu nano SiO2 điều chế từ tro trấu đến khả năng chống thấm ion clo của bê tông xi măng nhiều tro bay Đặng Thị Thanh Lê1*, Vương Đặng Lê Mai2, Vũ Việt Cường3, Hoàng Anh Tuấn4 1 2 3 Bộ môn Hóa học, Đại học Thủy Lợi Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Giao thông Vận tải Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam 4 Đến Tòa soạn 28-3-2016; Chấp nhận đăng 26-6-2017 Abstract Silica nanoparticles were successfully extracted from the rice husk ash. The obtained SiO 2 powders had monoclinic crystal system, large specific surface area (258.3 m2/g), and particle size (10 to 15 nm). Nano SiO2 prepared from rice husk ash increased the chloride resistance of fly ash cement concrete. The ability to resist chloride penetration increases with the content of using nano-SiO2. When the content of nano-SiO2 is 2 %, the chloride resistance of concrete is optimized (25 % reduction of charge passed compared to concrete not using nano-SiO2). Keywords. Silica nanoparticles, rice husk ash, fly ash cement concretes, chloride resistance of concrete. 1. GIỚI THIỆU Hiện nay các nghiên cứu sử dụng nano SiO2 làm phụ gia để tăng chất lượng cho bê tông xi măng đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Italy và Trung Quốc [1-6]. Việt Nam là nước nông nghiệp có sản lượng lúa lớn, lượng vỏ trấu thải ra hàng năm rất nhiều. Giải pháp sử dụng nano SiO2 điều chế từ tro trấu nhằm làm tăng chất lượng của bê tông xi măng sẽ mang lại hiệu quả cao. Trong công trình [7], chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nano SiO2 đến cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn của bê tông xi măng 40 % tro bay trong giai đoạn từ 1 đến 28 ngày tuổi. Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nano SiO2 đến khả năng chống thấm ion clo của bê tông xi măng 40 % tro bay ở 28 ngày tuổi. Lượng 40 % tro bay thay thế xi măng được lựa chọn vì hàm lượng này đã được ứng dụng trong thực tế. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Vật liệu thí nghiệm Xi măng PC40 của Bút Sơn với thành phần khoáng chất: C3S (3CaO.SiO2) 51,74 %; C2S (2CaO.SiO2) 24,20 %; C3A (3CaO.Al2O3) 8,16 %; C4AF (4CaO.Al2O3. Fe2O3) 10,35 %. Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng Bút Sơn PC40 được nhà sản xuất đưa ra phù hợp với tiêu chuẩn qui định yêu cầu kĩ thuật của xi măng TCVN 2682: 2009. Tro bay VINA F&C Phả Lại thuộc loại F có kích thước hạt trung bình 9,62 µm; diện tích bề mặt 3713 cm2/g; khối lượng riêng 2,41 g/cm3 và thành phần hoá học: SiO2 57,34 %; Al2O3 25,49 %; Fe2O3 5,43 %; SO3 0,11 %; MKN (mất khi nung) 3,44 %. Các chỉ tiêu chất lượng đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn qui định tro bay dùng trong bê tông ASTM C618 của Mỹ và tiêu chuẩn TCVN 10302: 2014. Cốt liệu lớn được sử dụng là đá dăm Kim Bảng (Hà Nam) có khối lượng riêng 2,65 g/cm3; khối lượng thể tích 1,65 g/cm3; độ ẩm 0,6 %; Dmax = 19 mm. Cốt liệu nhỏ được sử dụng là cát Sông Lô có khối lượng riêng 2,66 g/cm3; khối lượng thể tích 1,47 g/cm3. Hai loại cốt liệu dùng trong nghiên cứu đều đạt yêu cầu kĩ thuật cốt liệu cho bê tông và vữa theo tiêu chuẩn TCVN 7570: 2006. Nước sử dụng để chế tạo và bảo dưỡng bê tông CVN 4506: 2012. là nước sạch, Phụ gia Dynamon BT2 của hãng Mapei. Phụ gia này đáp ứng tiêu chuẩn qui định phụ gia hóa học cho bê tông theo TCVN 8826: 2011. Nano SiO2 điều chế từ tro trấu ở dạng bột, màu trắng rất mịn, diện tích bề mặt riêng ~ 258,3 m2/gam, kích thước hạt 10-15 nm [7]. 298 Đặng Thị Thanh Lê và cộng sự TCHH, 55(3), 2017 2.2. Thành phần chế tạo bê tông Thành phần bê tông gốc được lựa chọn sơ bộ theo tiêu chuẩn ACI 211.1 [8] với cường độ chịu nén là 40 MPa. Tro bay được dùng để thay thế 40 % xi măng theo khối lượng. Có 3 loại bê tông được dùng để nghiên cứu tương ứng với hàm lượng nano SiO2 là 0, 1, 2 % theo khối lượng xi măng và tro bay ban đầu: FA40NS0 có 0 % nano SiO2; FA40NS1 có 1 % nano SiO2; FA40NS02 có 2 % nano SiO2. Thành phần các vật liệu trong hỗn hợp bê tông được đưa ra ở bảng 1. Bảng 1: Bảng thành phần cấp phối bê tông sử dụng tro bay và nano SiO2 (tính cho 1m3 bê tông) Loại bê tông FA40NS0 FA40NS1 FA40NS2 Nano SiO2 (kg) 0 4,23 8,46 Xi măng (kg) 254 254 254 Tro bay (kg) 169 165 161 2.3. Trộn và đúc mẫu bê tông Việc lấy mẫu hỗn hợp bê tông, trộn, đúc, bảo dưỡng và chọn kích thước để làm mẫu thử được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 3105-2012 [9]. Cường độ chịu nén của bê tông được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 3118-93 [10]. Cường độ kéo uốn của bê tông được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 311993 [11]. Thí nghiệm thấm ion clo của bê tông được xác định ở 28 ngày tuổi theo tiêu chuẩn ASTM C1202 [12] hay TCVN 9337:2012 [13]. Các thí nghiệm được tiến hành tại Phòng Thí nghiệm Vật liệu Xây dựng, Trường Đại học Giao thông Vận tải. Bê tông được trộn trong máy trộn cưỡng bức ở nhiệt độ phòng là 30 oC. Nano SiO2 được trộn đều vào trong nước bằng máy trộn vữa tốc độ cao, sau đó đổ vào trong pha khô (đá, cát, xi măng, tro bay) đã được trộn đều và tiến hành trộn trong vòng 1 phút. Tiếp theo thêm phụ gia siêu dẻo vào và trộn trong vòng từ 1-2 phút đến khi hỗn hợp bê tông đồng đều. Sau đó tiến hành đúc 03 loại mẫu: Mẫu lập phương kích thước 150x150x150 mm để xác định cường độ chịu nén. Mẫu dầm kích thước 150x150x600 mm để xác định cường độ cường độ kéo uốn. Mẫu trụ 100x200 mm để xác định độ thấm ion clo. Các mẫu bê tông sau khi đúc được phủ lớp vải trên bề mặt để tránh mất nước trong vòng 24 giờ, sau đó tháo khuôn và đưa vào bể bảo dưỡng cho đến khi tiến hành các thí nghiệm tiếp theo. 2.4. Thí nghiệm thấm ion clo của bê tông Khả năng thấm ion clo của bê tông ở 28 ngày tuổi được đo trên máy thấm nhanh ion clo A PROOVE’it của hãng GERMANN, Đức (hình 1). Mỗi loại bê tông tiến hành thí nghiệm 3 mẫu, mỗi mẫu bê tông có đường kính 100 mm chiều dày 50 mm. Các mẫu này Cát (kg) 709 709 709 Đá (kg) 1090 1090 1090 Nước (lit) 169 169 169 Phụ gia SD (lit) 3,38 3,38 3,38 được cắt ra từ mẫu trụ 100x200 mm và đã loại bỏ phía trên và dưới mẫu mỗi đầu là 10 mm. Các mẫu thí nghiệm thấm ion clo được sơn chống thấm, hút chân không và ngâm trong nước như điều kiện trong tiêu chuẩn TCVN 9337:2012 [13]. Thí nghiệm được tiến hành theo nguyên tắc áp dòng điện một chiều điện thế 60V vào hai mặt của mẫu thử, một mặt tiếp xúc với dung dịch natri clorua 3% nối với cực âm, mặt kia tiếp xúc với dung dịch natri hydroxit nối với cực dương. Khả năng thấm ion clo qua bê tông được xác định thông qua giá trị tổng điện lượng truyền qua mẫu thử trong thời gian 6 giờ, được chia thành các mức: cao, trung bình, thấp, rất thấp, không thấm. Hình 1: Thí nghiệm xác định độ thấm ion clo bằng phương pháp đo điện lượng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tính chất của nano SiO2 điều chế từ tro trấu Nano SiO2 được điều chế từ tro trấu có dạng bột, màu trắng rất mịn. Để xác định một số tính chất đặc trưng của vật liệu nano SiO2, các thử nghiệm EDX, XDR, SEM, TEM, BET đã được tiến hành. Kết quả ghi phổ EDX của mẫu nano SiO2 (hình 2) cho thấy, vật liệu SiO2 có thành phần nguyên tử chủ yếu là Si (28,78 %) và O (57,92 %), tỷ lệ % nguyên tử Si:O xấp xỉ 1:2. Như vậy, vật liệu SiO2 điều chế được khá tinh khiết. 299 Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu nano… TCHH, 55(3), 2017 1000 003 OKa SiKa 900 800 700 Element 600 C K O K Si K Total 500 400 300 (keV) 0.277 0.525 1.739 100.00 Mass% Atom% 8.44 48.91 42.66 100.00 13.31 57.92 28.78 CKa Kết quả XRD (hình 3) cho thấy, mẫu nghiên cứu tồn tại chủ yếu ở dạng pha tinh thể SiO2 thuộc hệ đơn tà (monoclinic). Bên cạnh pha tinh thể mẫu SiO2, còn lẫn một ít pha SiO2 vô định hình [7]. Kết quả BET xác định được diện tích bề mặt riêng của nano SiO2 ~ 258,3 m2/gam [7]. Kết quả SEM (hình 4) và TEM (hình 5) cho thấy, vật liệu nano SiO2 điều chế được từ tro trấu có kích thước hạt bé (khoảng 10 đến 15 nm); SiO2 ở dạng vi tinh thể gồm nhiều hạt nhỏ kết tụ lại với nhau tạo nên các khối SiO2 có cấu trúc xốp. 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 xi măng [7]. 200 100 0 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 keV Hình 2: Phổ EDX của mẫu SiO2 Hình 3: Giản đồ XRD của mẫu SiO2 Hình 4: Ảnh SEM của mẫu SiO2 Hình 5: Ảnh TEM của mẫu SiO2 300 9.00 10.00 Đặng Thị Thanh Lê và cộng sự TCHH, 55(3), 2017 3.2. Ảnh hưởng của nano SiO2 điều chế từ tro trấu đến khả năng chống thấm ion clo của bê tông xi măng nhiều tro bay Khả năng chống thấm ion clo của bê tông là một trong những yếu tố quan trọng để đánh giá độ bền của bê tông đặc biệt là trong môi trường chứa nhiều ion clo (nước biển). Khi ion clo thấm qua lớp bê tông bảo vệ chúng sẽ ăn mòn cốt thép gây trương nở thể tích dẫn đến nứt bê tông. Điều này sẽ làm giảm khả năng chịu lực của bê tông, cốt thép gây hư hỏng và giảm tuổi thọ của công trình. Vì vậy bê tông có khả năng chống thấm ion clo tốt sẽ đáp ứng được yêu cầu độ bền lâu của công trình [14]. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn của bê tông ở 28 ngày tuổi được trình bày trong bảng 2. Kết quả thí nghiệm thấm nhanh ion clo của các loại bê tông được trình bày trong bảng 3. Biểu đồ kết quả thí nghiệm thấm nhanh ion clo được thể hiện ở hình 6. Bảng 2: Cường độ chịu nén và kéo uốn của bê tông ở 28 ngày tuổi Loại bê tông Cường độ chịu nén Rn (MPa) Cường độ kéo uốn Rku (MPa) Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 TB Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 TB FA40NS0 41,30 38,50 44,80 41,53 5,03 5,17 5,55 5,25 FA40NS1 46,80 45,20 41,20 44,40 5,72 5,28 5,47 5,49 FA40NS2 49,60 51,50 44,40 48,50 6,14 5,78 5,54 5,82 Bảng 3: Kết quả thí nghiệm thấm nhanh ion clo Loại bê tông Kết quả đo điện lượng (cu lông) Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Trung bình FA40NS0 578,92 499,75 531,45 515,60 FA40NS1 497,34 456,82 404,67 452,94 FA40NS2 392,52 402,67 376,78 390,66 Hình 6: Kết quả thí nghiệm thấm nhanh ion clo Các kết quả trên cho thấy, nano SiO2 đã có tác dụng làm tăng cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn của bê tông xi măng nhiều tro bay. Cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn của bê tông xi măng nhiều tro bay tăng tỉ lệ thuận với hàm lượng nano SiO2 sử dụng. Kết quả thí nghiệm cho thấy cả 3 loại bê tông được thử nghiệm đều cho điện lượng đi qua ở mức rất thấp (100-1000 cu lông) [13]. Tro bay đã được biết là loại phụ gia khoáng làm tăng khả năng chống thấm ion clo của bê tông. Quan sát hình 6 có thể thấy số điện lượng đếm được tỉ lệ nghịch với hàm lượng nano SiO2 sử dụng, trong khi hàm lượng tro bay không đổi. Như vậy nano SiO2 đã làm tăng mức độ chống thấm ion clo của bê tông. Theo một số nghiên cứu trên thế giới [15-18] nano SiO2 đã làm tăng cường độ của bê tông xi măng là do: nano SiO2 tham gia vào phản ứng puzolan tạo ra C-S-H với độ rắn cao hơn, dẫn đến cường độ của bê tông tăng lên; nano SiO2 có kích thước rất nhỏ (nhỏ hơn kích thước xi măng khoảng 100 lần) nên có thể lấp đầy các lỗ trống trong bê tông xi măng, giúp cho bê tông xi măng chặt hơn, cường độ do đó cũng cao hơn; nano SiO2 đóng vai trò như các tâm tạo nhân cho phép hình thành các cụm C-S-H, thúc đẩy hơn sự hydrat hóa, dẫn đến sự gia tăng về mặt cường độ. Như vậy nano SiO2 đã lấp đầy các lỗ trống trong bê tông xi măng, giúp cho bê tông xi măng chặt hơn và tạo ra C-S-H bền vững với độ rắn cao hơn, làm cho khối bê tông đặc chắc hơn, do vậy đã làm giảm khả năng thấm ion clo và tăng khả năng chống thấm ion clo của bê tông. Các kết quả trên đã cho thấy nano SiO2 điều chế từ tro trấu sử dụng trong bê tông nhiều tro bay có tác dụng làm tăng khả năng chống thấm ion clo. Bê tông 40 % tro bay khi sử dụng 2 % nano SiO2 đã giảm được 25 % điện lượng đếm được so với bê tông 301 Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu nano… TCHH, 55(3), 2017 không sử dụng nano SiO2. Điều này giúp làm tăng độ bền của bê tông khi ứng dụng làm các kết cấu trong môi trường xâm thực ion clo. 5. 4. KẾT LUẬN Đã khảo sát ảnh hưởng của vật liệu nano SiO2 điều chế từ tro trấu đến khả năng chống thấm ion clo của bê tông xi măng nhiều tro bay. Kết quả cho thấy: 1. Việc sử dụng nano SiO2 điều chế từ tro trấu trong bê tông xi măng nhiều tro bay đã làm tăng khả năng chống thấm ion clo của bê tông. Khả năng chống thấm ion clo của bê tông xi măng nhiều tro bay tăng theo hàm lượng nano SiO2 sử dụng. 2. Khi hàm lượng nano SiO2 sử dụng là 2 %, khả năng chống thấm ion clo của bê tông xi măng nhiều tro bay tốt nhất (giảm được 25 % điện lượng so với bê tông không sử dụng nano SiO2). Như vậy, nano SiO2 sản xuất từ tro trấu khi cho vào bê tông xi măng nhiều tro bay đã làm tăng khả năng chống thấm ion clo của bê tông, làm giảm sự khuyếch tán của ion, góp phần hạn chế sự ăn mòn. Điều này giúp làm tăng độ bền của bê tông khi ứng dụng làm các kết cấu trong môi trường xâm thực ion clo. Từ những kết quả trên chúng tôi cho rằng, vật liệu nano SiO2 điều chế từ tro trấu có triển vọng nghiên cứu ứng dụng của chúng trong ngành vật liệu xây dựng. 2. 3. 4. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. 6. Said, A. M and Zeidan, M. S. Enhancing the reactivity of normal and fly ash concrete using colloidal nano-silica, ACI Special Publication, 267(7), 75-86 (2009). Schoepfer, J. and Maji, A.. An investigation into the effect of silicon dioxide particle size on the strength of concrete. ACI Special Publication, 267(5), 45-58 (2009). Konstantin Sobolev, Ismael Flores, Roman Hermosillo, Leticia M. Torres-Martínez. Nanomaterial and nanotechnology for highperformance cement composites. Proceedings of ACI Session on Nanotechnology of Concrete: Recent Developments and Future Perspectives, November 7 (2006), Denver, USA, 91-118. Khanzadi M., Tadayon M., Sepehri H. and Sepehri, M. Year. Influence of Nano-Silica Particles on 15. 16. 17. 18. Mechanical Properties and Permeability of Concrete. In: Second International Conference on Sustainable Construction Materials and Technologies, Università Politecnica delle Marche, Ancona, Italy (2010). Ye Q., Zhang Z., Kong D. and Chen R. Influence of nano-SiO2 addition on properties of hardened cement paste as compared with silica fume. Construction & Building Materials, 21, 539-45 (2007). Li G. and Zhao X. Properties of concrete incorporating fly ash and ground granulated blastfurnace slag, Cement and Concrete Composites, 25(3), 293-299 (2003). Đặng Thị Thanh Lê, Vương Đặng Lê Mai, Hoàng Anh Tuấn, Vũ Việt Cường, Nguyễn Văn Hưng. Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu nano SiO2 điều chế từ tro trấu đến cường độ của bê tông xi măng nhiều tro bay. Tạp chí Hóa học, 53(3e12), 182-188 (2015). ACI 211.1. Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete. TCVN 3105:2012. Hỗn hợp bê tông và bê tông nặng - Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử. TCVN 3118-93. Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ chịu nén. TCVN 3119-93. Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ kéo uốn. ASTM C1202. Standard test method for electrical indication of concrete's ability to resist chloride ion penetration. TCVN 9337:2012. Bê tông nặng - Xác định độ thấm ion clo bằng phương pháp đo điện lượng. Phạm Duy Hữu. Công nghệ bê tông và kết cấu bê tông, Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, Hà Nội (2010). T. Ji. Preliminary study on the water permeability and microstructure of concrete incorporating nanoSiO2. Cement and Concrete Research, 35, 1943-1947 (2005). G. Li. Properties of high-volume fly ash concrete incorporating nano-SiO2, Cement and Concrete Research, 34, 1043-1049 (2004). J. J. Gaitero, I. Campillo and A. Guerrero. Reduction of the calcium leaching rate of cement paste by addition of silica nanoparticles, Cement and Concrete Research, 38, 1112-1118 (2008). B. H. Green. Development of a high-density cementitious rock-maching grout using nanoparticles. Proceedings of ACI Session on Nanotechnology of Concrete: Recent Developments and Future Perspectives, Denver, USA, 119-130 (2006). Liên hệ: Đặng Thị Thanh Lê Bộ môn Hóa học, Đại học Thủy Lợi Số 175, Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội E-mail: thanhledang@yahoo.com; Điện thoại: 0904140542. 302