Nghiên cứu chế tạo nano SiO2 từ cát biển làm gia tăng cường độ bê tông

Bê tông là một trong những vật liệu quan trọng nhất trong các kết cấu công trình xây dựng hiện đại. Bài viết Nghiên cứu chế tạo nano SiO2 từ cát biển làm gia tăng cường độ bê tông trình bày các nội dung chính sau: Tính chất của bê tông sử dụng nanosilica; Tính chất của nanosilic.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANO SiO2 TỪ CÁT BIỂN LÀM GIA TĂNG CƯỜNG ĐỘ BÊ TƠNG Hồng Thị Phương1,2, Vũ Quốc Vương2 Công ty Cổ phần Vmat; email: phuongh299@gmail.com 2 Trường Đại học Thủy lợi GIỚI THIỆU CHUNG Bê tông vật liệu quan trọng kết cấu cơng trình xây dựng đại Ngoài việc phải đáp ứng yêu cầu cường độ chịu nén tính dễ thi cơng, bê tơng cịn cần có độ bền thể khả chống chịu tác nhân có hại môi trường tác nhân xâm thực khả chống thấm nước trì thời gian dài Lớp phủ nano-silica áp dụng bề mặt bê tơng, ngăn chặn mức độ cacbonat hóa bê tơng Sự kết hợp nano-SiO2 cịn tối ưu hóa cấu trúc mao quản bê tông cốt liệu tái chế hạn chế khả khuếch tán ion clorua[3] Các nghiên cứu so sánh hiệu cải tiến nano-SiO2 keo nano-SiO2 dạng bột tính chất học bê tông, thấy nano-SiO2 dạng bột thúc đẩy việc tạo nhiều gel C-S-H vữa xi măng, thúc đẩy hydrat hóa, nên làm gia tăng mặt cường độ cải thiện hiệu tính chất học bê tơng Chen cộng [1] nghiên cứu tính chất nén dọc trục cột bê tơng cốt thép trịn thép không gỉ nano-SiO2 Khi hàm lượng nano-SiO2 1%, khả chịu lực dọc trục cao PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU phù tách khỏi cặn rắn bồi lắng phần lại đem rửa lọc Tiếp theo, natri silicat thủy nhiệt axit tạo thành kết tủa trắng hoàn toàn Tất mẫu sau rửa ly tâm khơng cịn ion Cl- dung dịch Cuối đem sấy khô thu sản phẩm Mẫu nano-silica sau tổng hợp đặc trưng phương pháp hóa lý FTIR, XRD, SEM EDS KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính chất nanosilic a Phân tích XRD Hình Phân tích XRD thời điểm phản ứng khác Từ kết hình ảnh nhiễu xạ ta thấy góc 2θ từ 15 đến 40o cấu trúc nhiễu loạn hạt silica vơ định hình Mẫu đo cực đại góc 22o cho thấy chất đặc trưng vơ định hình nanosilica b Phân tích phổ EDS Cân lượng mẫu cát biển (từ biển Hà Tĩnh) cho vào cốc khuấy đặt bếp khuấy từ có gia nhiệt Sử dụng thuốc thử chuẩn bị nghiên cứu trước để làm cân hóa học cát silic Sau thực phản ứng trung hòa nồng độ axit 0,1 mol/l dừng lại Sau phần huyền 126 Hình Phân tích EDS nano cát silic Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 Qua kết đo tán xạ lương thấy nanosilica tổng hợp từ cát biển cho mẫu tinh khiết chứa thành phần ngun tố hóa học Si chứa 47,60% - O chứa 52,4 % Điều chứng minh vật liệu nanosilica tổng hợp từ nguồn cát biển thành công Với kết chúng tơi nhận thấy nano-SiO2 có độ tinh khiết cao, chiếm ưu cao nhiều so với nguồn nanoSiO2 tổng hợp từ nguồn tro trấu chứa nhiều tạp chất c Phân tích phổ FTIR cường độ nén cao Cường độ nén bê tơng biến tính nano-silica tăng 16% - 25% sau ngày 12% - 17% sau 28 ngày, so với bê tơng thường Lý cho việc cải thiện cường độ nén bê tơng phản ứng pozzolanic có hoạt tính cao hạt nano - SiO2 canxi hydroxit, thúc đẩy hình thành canxi silicat hydrat hóa cao làm cải thiện cường độ sớm bê tơng Bê tơng khơng có nano - SiO2 dựa vào xi măng để hydrat hóa thành lượng nhỏ canxi silicat hydrat để tăng cường độ Do đó, độ nén bê tơng khơng có nano- SiO2 thấp Thành phần bê tông sử dụng xi măng mác 40 MPa với vật liệu thể bảng Bảng Thành phần cấp phối bê tơng Hình Đo phổ FTIR mẫu tổng hợp SiO2 XM C Đ N SF Mẫu (kg) (kg) (kg) (kg) (lit) (kg) Phụ gia SD (lit) NS0 3.3 245 702 1050 154 NS1 4.13 245 702 1050 154 25.75 3.3 Dựa hình có đỉnh hấp thụ 1084 cm-1, 795 cm-1 467 cm-1 đường cong phổ FTIR, chứng minh dao động nhóm Si-O-Si cát silic Điều đảm bảo tồn thành phần silic cát Ngoài ra, ba đỉnh hấp thụ 1597 cm-1, 1866 cm-1 xuất gắn dao động nước tương ứng Khẳng định nano- SiO2 tổng hợp từ cát biển thành công Sau tổng hợp vật liệu nanosilica từ cát biển trên, lựa chọn cho nghiên cứu ứng dụng bê tơng 3.2 Tính chất bê tông sử dụng nanosilica a Cường độ nén Việc bổ sung nano-SiO2 có lợi cho cường độ nén bê tông xi măng Cường độ nén bê tông nano-SiO2 tăng hàm lượng nano-SiO2 tăng theo hàm lượng ngưỡng Trên giá trị ngưỡng, lượng nano-SiO2 cao dẫn đến giảm cường độ nén Bê tơng silic có hàm lượng nano-SiO2 1,5% cung cấp NS3 8.20 245 702 1050 154 51.5 3.3 NS5 10.3 245 702 1050 154 77.25 3.3 Bảng Cường độ nén bê tông nanosilica sau 28 ngày tuổi Mẫu SiO2 (%) NS0 NS1 NS3 NS5 0% 0.5% 1% 1.5% ngày (MPa) 33.42 35.27 41.08 43.55 28 ngày (MPa) 50.65 55.19 62.21 67.00 b Độ bền uốn Cường độ uốn bê tơng biến tính nanosilica cho thấy xu hướng tương tự cường độ nén Do tỷ lệ xi măng nước khác nhau, có khác biệt hàm lượng tối ưu nano-SiO2, dẫn đến hiệu khác việc cải thiện cường độ uốn bê tơng [4] hình 4, cho thấy cường độ uốn bê tông ngày, ngày, 28 ngày 90 ngày Cường độ uấn tăng lên mẫu có sử dụng nanosilica 127 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 tính cao nano-SiO2 tiêu thụ phần silicat q trình thúc đẩy hydrat hóa Hình Độ bền uốn bê tơng độ tuổi khác c Độ bền kéo Như mong muốn, nano-SiO2 cải thiện cường độ kéo đứt bê tông Bằng cách kiểm tra cường độ phân tách nanoSiO2 kích thước hạt khác thêm vào bê tơng thấy hiệu cải thiện cường độ bền kéo hạt nano SiO2 cỡ 12 - 15 nm tốt hạt có kích thước từ - 10 nm; đồng thời diện tích bề mặt riêng hạt nano thấp dễ dạng phân tán nước tốt [2] Lý cho tượng nano-SiO2 cải thiện cường độ giao diện kết cấu bê tông cốt liệu [5] d Cấu trúc bê tông- nano-SiO2 Qua nghiên cứu cho thấy, việc bổ sung nano-SiO2 làm tăng cường độ bê tông xi măng bởi: nano-SiO2 tham gia vào phản ứng puzzolan tạo C-S-H với độ rắn cao hơn, mà cường độ bê tơng tăng lên Bên cạnh đó, nano SiO2 sau tổng hợp có kích thước nhỏ nên lấp đầy lỗ trống bê tông xi măng, giúp bê tông xi măng chặt hơn, tăng cường độ cao hơn[1] Khi nano-SiO2 thêm vào bê tơng, kích thước lỗ rỗng tinh thể trở nên nhỏ liên kết tinh thể trở nên chặt chẽ hơn, làm cho cấu trúc vi mô nhỏ gọn hơn, nhận thấy cấu trúc bê tông tối ưu hóa bổ sung nano-SiO2 [3] Khi hàm lượng nano-SiO2 tăng lên, thể tích mao quản kết cấu bê tông giảm liên tục Kết phân tích vữa xi măng nhiễu xạ tia X (hình 5), đỉnh portlandite (CH) bùn xi măng với nano-SiO2 cao so với bùn xi măng thông thường Tuy nhiên, đỉnh silicat giảm đáng kể sau 28 ngày Điều hoạt Hình Phổ XRD vữa xi măng có chứa nano SiO2 Khi thời gian hàm lượng nano-SiO2 tăng lên, hàm lượng canxi hydroxit giảm Lý nano-SiO2 thúc đẩy phản ứng canxi hydroxit vật liệu chứa SiO2 vơ định hình pozzolanic KẾT LUẬN Các kết tổng hợp nano-SiO2 từ cát biển chứng minh phương pháp hóa lý FTIR, XRD SEM có tiềm ứng dụng làm phụ gia cho bê tông Khi nano-SiO2 sử dụng để thay phần xi măng, hoạt tính cao nano-SiO2 giúp thúc đẩy phản ứng hydrat hóa bê tơng, rút ngắn thời gian thiết lập nano-SiO2 Nano-SiO2 thúc đẩy mức độ hydrat hóa bê tơng, tạo ma trận bê tông để tạo nhiều gel C-S-H, lấp đầy mao quản cấu trúc bê tơng, giảm thể tích mao quản, tăng cường độ chịu nén, độ bền uấn độ bền kéo bê tông TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chen X.X., Sheng X.S., Zhang X.Y., Chen Y., (2018) Research on axial compression behavior of nano-SiO2 reinforced concrete filled stainless steel circular tube short columns after high temperature, Industrial Construction, 49, 189-193 [2] Fallah S., Nematzadeh M.,(2017) Mechanical properties and durability of high-strength concrete containing macropolymeric and polypropylene fibers with nano-silica and silica fume, Constr Build Mater.132, 170-187 128 ... thiện cường độ giao diện kết cấu bê tông cốt liệu [5] d Cấu trúc bê tông- nano- SiO2 Qua nghiên cứu cho thấy, việc bổ sung nano- SiO2 làm tăng cường độ bê tông xi măng bởi: nano- SiO2 tham gia vào phản... liệu nanosilica từ cát biển trên, lựa chọn cho nghiên cứu ứng dụng bê tơng 3.2 Tính chất bê tông sử dụng nanosilica a Cường độ nén Việc bổ sung nano- SiO2 có lợi cho cường độ nén bê tông xi măng Cường. .. măng Cường độ nén bê tông nano- SiO2 tăng hàm lượng nano- SiO2 tăng theo hàm lượng ngưỡng Trên giá trị ngưỡng, lượng nano- SiO2 cao dẫn đến giảm cường độ nén Bê tơng silic có hàm lượng nano- SiO2 1,5%