Luận văn nano silica nghiên cứu chế tạo, các tính chất nhằm định hướng ứng dụng trong bê tông cường độ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND TỈNH THANH HÓA TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC LÊ VĂN LUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NANO SILICA: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, CÁC TÍNH CHẤT NHẰM ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG BÊ TƠNG CƢỜNG ĐỘ CAO THANH HĨA – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND TỈNH THANH HÓA TRƢỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NANO SILICA: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, CÁC TÍNH CHẤT NHẰM ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG BÊ TÔNG CƢỜNG ĐỘ CAO Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 8.44.01.04 Học viên thực hiện: Lê Văn Luật Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : TS Chu Tiến Dũng TS Nguyễn Văn Hoá THANH HĨA – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi dƣới hƣớng dẫn trực tiếp Thầy hƣớng dẫn Các số liệu kết trình bày luận án đƣợc thực trình thực luận văn chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lê Văn Luật i LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Chu Tiến Dũng TS Nguyễn Văn Hoá ngƣời thầy tận tình hƣớng dẫn, trực tiếp dẫn dắt, bảo giúp đỡ tơi suốt q trình nghiên cứu thực luận văn Xin chân thành cảm ơn Thầy giúp mở mang kiến thức hữu ích kiến thức chun mơn Vật lý Chất rắn, Vật liệu Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Công nghệ Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Công nghệ tạo điều kiện, giúp đỡ q trình hồn thiện luận văn Lời cảm ơn chân thành xin đƣợc gửi tới Thầy Cô mơn Vật lý, Hố học Kỹ thuật Mơi trƣờng, Ban chủ nhiệm Khoa Khoa học Cơ bản, Ban Giám Hiệu trƣờng Đại học Giao thông vận tải tạo điều kiện giúp đỡ sở vật chất thực nghiệm, nhƣ góp ý chân thành q trình thực luận văn Sau cùng, tơi xin tỏ lòng biết ơn đến cha mẹ, ngƣời thân bạn bè bên cạnh ủng hộ, động viên sống nhƣ thời gian hoàn thành luận văn thạc sĩ Xin chân thành cảm ơn tất ngƣời! Tác giả luận văn Lê Văn Luật ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN VỀ NANO SILICA 1.1.1 Cấu trúc, hình thái tính chất 1.1.2 Phƣơng pháp chế tạo nano silica 1.1.3 Phƣơng pháp chế tạo nano silica từ tro bay nhiệt điện 12 1.2 ỨNG DỤNG CỦA NANO SILICA TRONG VẬT LIỆU CƢỜNG ĐỘ CAO 17 1.2.1 Cơ chế ảnh hƣởng vật liệu nano đến vật liệu cƣờng độ cao 17 1.2.2 Ứng dụng nano silica vật liệu cƣờng độ cao siêu cao 24 Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU 34 2.1 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆU NANO 34 2.1.1 Danh mục hóa chất thiết bị đƣợc sử dụng chế tạo mẫu 34 2.1.2 Qui trình chế tạo mẫu vật liệu nano silica (SiO2) từ tiền chất TEOS 35 2.1.3 Qui trình chế tạo mẫu vật liệu nano silica SiO2 từ tro bay nhiệt điện 36 2.2.CÁC PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT VẬT LIỆU 38 2.2.1 Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) 38 2.2.2 Phổ tán sắc lƣợng tia X (EDS) 39 2.2.3 Khảo sát hình thái vật liệu kỹ thuật chụp ảnh hiển vi điện tử quét 40 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1.CẤU TRÚC, HÌNH THÁI, TÍNH CHẤT CỦA NANO SILICA CHẾ TẠO TỪ TIỀN CHẤT TEOS 42 iii 3.1.1 Cấu trúc, thành phần pha vật liệu nano SiO2 42 3.1.2 Hình thái thành phần pha vật liệu nano SiO2 43 3.2 NANO SILICA CHẾ TẠO TỪ TRO BAY NHIỆT ĐIỆN VÀ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG 46 3.2.1 Cấu trúc thành phần pha tro bay nano silica chế tạo từ tro bay 46 3.2.2 Hình thái thành phần pha tro bay nano SiO2 chế tạo từ tro bay 48 3.2.3 Định hƣớng ứng dụng nano SiO2 chế tạo từ tro bay vật liệu cƣờng độ cao, chống ăn mòn 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ASR : Alkali-Silica Reaction (Phản ứng kiềm-silica) CFA : Coal Fly Ash (Tro bay than đá) EDS : Energy-dispersive X-ray spectroscopy (Phổ tán sắc lƣợng tia X) FESEM : Field Emission Scanning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng) SEM : Scanning Electron Microscopy (Hiển vi điện tử quét) TEOS : Tetraethyl orthosilicate UHPC : Ultra-High Performance Concrete (Bê tông cƣờng độ siêu cao) VLXD : Vật liệu xây dựng XRD : X-ray diffraction - Nhiễu xạ tia X v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể SiO2 Hình 1.2 Sự thay đổi nồng độ silanol số nhóm silanol theo kích thƣớc hạt SiO2 Hình 1.3 Sự thay đổi diện tích bề mặt BET theo kích thƣớc hạt SiO2 Hình 1.4 Tính chất học bê tơng với nồng độ phụ gia nano SiO khác Hình 1.5 Phƣơng pháp vật lý hóa học chế tạo vật liệu nano SiO2 Hình 1.6 Phƣơng pháp Sol-gel chế tạo vật liệu nano SiO2 từ tiền chất TEOS 11 Hình 1.7 Tro bay loại C loại F 14 Hình 1.8 Sơ đồ mơ hình hố chế tạo nano SiO2 từ tro bay nhiệt điện 15 Hình 1.9 Sơ đồ chế tạo muối Na2SiO3 từ tro bay nhiệt điện 16 Hình 1.10 Các loại lực liên kết phân tử chất rắn 18 Hình 1.11 Lực van der Waals phụ thuộc vào khoảng cách hạt phân tử chất rắn 19 Hình 1.12 Mối quan hệ cƣờng độ nén bê tông hàm lƣợng nano silica 25 Hình 1.13 Mối quan hệ cƣờng độ nén sau 28 ngày nồng độ nano silica 26 Hình 2.1 Qui trình chế tạo nano silica từ tiền chất TEOS 35 Hình 2.2 Mẫu hạt nano SiO2 trình hình thành bể rung siêu âm (Trái) đƣợc sấy khô bếp gia nhiệt (Phải) 36 Hình 2.3 Qui trình chế tạo nano silica từ tro bay nhiệt điện 36 Hình 2.4 Hiện tƣợng nhiễu xạ tia X vật liệu 38 Hình 2.5 Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội 40 Hình 2.6 Ảnh chụp mẫu tảo cát SEM 41 vi Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu nano SiO2 chế tạo từ tiền chất TEOS 42 Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu vật liệu nano SiO2 – Mẫu S1 (bên trái), Mẫu S2 (bên phải) thang đo tƣơng ứng 200 nm 100 nm 43 Hình 3.3 Áp suất âm (a), mật độ chất lỏng (b), hình thành điểm nóng cục sóng siêu âm (c) [1] 44 Hình 3.4 Thành phần hóa học nano SiO2 xác định phổ tán sắc lƣợng tia X 45 Bảng 3.1 Thành phần phần trăm khối lƣợng nguyên tố mẫu nano SiO2 46 Hình 3.5 Giản đồ XRD mẫu tro bay loại F (a) nano SiO2 (b) chế tạo từ tro bay 47 Hình 3.6 Ảnh SEM tro bay loại F (Trái) nano SiO2 (Phải) chế tạo từ tro bay 48 Bảng 3.2 Thành phần hoá học tro bay loại F (nhiệt điện Vũng Áng) 49 Hình 3.7 Thành phần nguyên tố mẫu tro bay loại F (a) nano SiO (b) chế tạo từ tro bay 50 Hình 3.8 Cơ chế lấp đầy lỗ rỗng để tăng cƣờng độ bê tông xi măng nano SiO2 52 Bảng 3.3 Thành phần khối lƣợng vật liệu cấp phối 1m mẫu bê tông cƣờng độ cao 53 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Kết phân tích thành phần hóa học tro bay số nhà máy nhiệt điện 13 Bảng 1.2 Cƣờng độ chịu nén kéo uốn bê tông 28 ngày tuổi 28 Bảng 1.3 Kết thí nghiệm thấm nhanh ion clo 29 Bảng 2.1 Danh mục hóa chất sử dụng chế tạo mẫu 35 Bảng 2.2 Danh mục thiết bị sử dụng chế tạo mẫu 35 Bảng 3.1 Thành phần phần trăm khối lƣợng nguyên tố mẫu nano SiO246 Bảng 3.2 Thành phần hoá học tro bay loại F (nhiệt điện Vũng Áng) 49 Bảng 3.3 Thành phần khối lƣợng vật liệu cấp phối 1m mẫu bê tông cƣờng độ cao 53 viii thức phân tử silica SiO2 cho thấy dạng thù hình phân tử silica mẫu vật liệu chế tạo chứa dạng thù hình SiO2 SiO4 Hiện tƣợng đƣợc giải thích tƣợng đa thù hình vật liệu nano silica đƣợc chứng minh từ nghiên cứu mặt tính tốn lý thuyết đƣa dạng thù hình khác cơng bố trƣớc giới [30, tr 33-36] Bảng 3.1 Thành phần phần trăm khối lượng nguyên tố mẫu nano SiO2 Thành phần % khối lƣợng nguyên tố Mẫu SiO2 Si O S1 41,5 58,5 S2 40,7 59,3 3.2 NANO SILICA CHẾ TẠO TỪ TRO BAY NHIỆT ĐIỆN VÀ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG Với sản lƣợng tro bay nhà máy nhiệt điện thải hàng triệu năm, nguồn tài ngun chứa silica vơ tận Vì vậy, nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro bay đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu giới năm gần quan tâm Vấn đề nghiên cứu hƣớng nghiên cứu mẻ nƣớc hứa hẹn tạo sản phẩm nano silica thƣơng phẩm cạnh tranh đƣợc thị trƣờng vật liệu phụ gia xây dựng 3.2.1 Cấu trúc thành phần pha tro bay nano silica chế tạo từ tro bay Trên Hình 3.5 biểu thị giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) mô tả cấu trúc thành phần pha mẫu tro bay loại F nano silica chế tạo đƣợc phƣơng pháp hoá học với hỗ trợ sóng siêu âm Trên giản đồ XRD mẫu tro bay Hình 3.4 (a) xuất đỉnh nhiễu xạ tinh thể khoáng mullite với thành phần Al2O3 vị trí đỉnh nhiễu xạ ứng với góc 2θ = 16,3O; 26,4O; 35,3O; 39,4O; 40,9O; 42,5O; 53,8O; 57,6O; 60,7O phù hợp với thẻ phổ chuẩn tinh thể Al2O3 [10] Đặc biệt có xuất đỉnh cƣờng độ 46 cao vị trí góc nhiễu xạ 26,4O; 20,8O đƣợc gán cho tồn tinh thể khoáng thạnh anh SiO2 dạng tinh thể phù hợp với nghiên cứu công bố [1] Bên cạnh đó, xuất đỉnh nhiễu xạ vị trí góc 2θ = 30,9O; 59,7O; 67,9Ovà 2θ = 33,2O; 35,8O; 40,8O;50,1O; 53,8O tƣơng ứng với mặt phẳng mạng tinh thể (220), (511), (440) γ-Fe2O3 mặt phẳng (104), (110), (113), (024), (116) α-Fe2O3 phù hợp với công bố nhóm tác giả Sharanabasava [30] Mochamad [20] Mặt khác, xuất vùng phổ vồng cao rộng khoảng góc nhiễu xạ từ 18 O - 27O đƣợc gán cho cấu trúc vơ định hình vật liệu silica (SiO2) Hình 3.5 Giản đồ XRD mẫu tro bay loại F (a) nano SiO2 (b) chế tạo từ tro bay Kết XRD cho thấy mẫu tro bay tồn thành phần silica (dạng tinh thể quartz dạng vơ định hình), khoáng chất mullite chứa tinh thể Al2O3 thành phần ôxit sắt Fe2O3 Giản đồ XRD mẫu vật liệu nano silica chế tạo từ tro bay loại F đƣợc biểu diễn Hình 3.4 (b) với xuất vùng phổ nhiễu xạ rộng có góc nhiễu xạ 2θ khoảng từ 16o - 28o, ngồi khơng xuất thêm đỉnh nhiễu xạ khác Kết phù hợp với nghiên cứu nƣớc 47 giới nano silica có cấu trúc xốp, dạng vơ định hình Kết nghiên cứu Gun’ko cộng [7] vật liệu nano silica với cấu trúc vơ định hình, xốp đƣợc biết đến vật liệu nhẹ với khối lƣợng riêng khoảng 0,045 g/cm3 - 0,4 g/cm3 tuỳ thuộc vào kích thƣớc loại hạt nano thu đƣợc, nên vật liệu nhẹ nƣớc từ vài lần đến hàng trăm lần (khối lƣợng riêng nƣớc tinh khiết g/cm3) Mặc dù vậy, nano silica có khả tăng cƣờng tính, tăng độ bền, giảm vết nứt cơng trình xây dựng [30] Điều chứng tỏ nano silica có tác động tích cực đến vật liệu xây dựng Vật liệu nano silica đóng vai trị làm vật liệu phụ gia giúp gia cƣờng, tăng độ bền cho cơng trình xây dựng 3.2.2 Hình thái thành phần pha tro bay nano SiO2 chế tạo từ tro bay Ảnh hiển vi điện tử quét bề mặt (SEM) mẫu vật liệu tro bay loại F mẫu nano silica chế tạo từ tro bay loại F phƣơng pháp học đơn giản đƣợc Hình 3.6 Ảnh SEM tro bay loại F (Trái) nano SiO2 (Phải) chế tạo từ tro bay mô tả nhƣ Hình 3.6 Trên Hình 3.6 (Trái) ảnh SEM mẫu vật liệu tro bay thu đƣợc từ tro bay nhà máy nhiệt điện Vũng Áng Kết cho thấy hạt tro bay có kích thƣớc phân bố khoảng - 15 µm, hạt có dạng cầu Ở kích thƣớc này, tro bay nhiệt điện đƣợc coi chất phụ gia tốt ngành công nghiệp vật liệu xây dựng nhƣ ứng dụng tro bay làm 48 phụ gia sản xuất xi măng, chế tạo bê tông cƣờng độ cao, bê tông tự đầm lăn, sử dụng tro bay thay cho xi măng với lƣợng phù hợp cơng trình giảm lƣợng nƣớc cần thiết, giảm lƣợng nhiệt hydrat hoá sinh q trình phản ứng pozolanic đơng kết bê tơng Đặc biệt, tro bay có độ mịn cao giúp cải thiện độ bền, giảm tính thấm bê tông Thành phần nguyên tố mẫu tro bay đƣợc mơ tả nhƣ Hình 3.7 (a) với xuất đỉnh cƣờng độ lớn nguyên tố Oxi Silic trạng thái K bền vững vị trí có lƣợng tƣơng ứng với 0,52 keV 1,75 keV Bên cạnh đó, nguyên tố khác nhƣ Al, Fe, Ca, Mg, Ti, Ag tƣơng ứng vị trí có lƣợng 1,48 keV; 6,42 keV; 3,71 keV; 1,25 keV; 4,53 keV 3,0 keV cho thấy thành phần nguyên tố tro bay phù hợp với kết nghiên cứu công bố tro bay [33] Thành phần phần trăm khối lƣợng nguyên tố thu đƣợc tính tốn thành phần hợp chất có tro bay đƣợc thể Bảng 3.2 Kết cho thấy thành phần phần trăm khối lƣợng SiO2, Al2O3 Fe2O3 đạt tới giá trị tƣơng ứng 53,7%; 22,1% 6,9%; hàm lƣợng CaO mẫu tro bay 8,3% (nhỏ 10%), phù hợp với Bảng 1.1 công bố, nên tro bay thuộc loại F [24] Bảng 3.2 Thành phần hoá học tro bay loại F (nhiệt điện Vũng Áng) Các hợp chất SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO (Vôi) MgO TiO2 Ag CO2 Tỉ lệ phần trăm khối lƣợng (%) 53,7 22,1 6,9 8,3 1,7 2,7 3,1 1,5 Hình 3.6 (Phải) kết ảnh SEM mẫu nano SiO chế tạo đƣợc từ tro bay loại F, cho thấy hình thái hạt nano tạo thành có dạng cầu, kích 49 thƣớc phân bố đồng khoảng từ 30 nm đến 70 nm Thành phần nguyên tố mẫu vật liệu nano SiO2 bao gồm hai thành phần silic oxi với xuất đỉnh tán sắc lƣợng vị trí tƣơng ứng 1,75 keV 0,52 keV nhƣ Hình 3.6 (b) Thành phần % khối lƣợng nguyên tố Si O thu đƣợc từ kết đo tán sắc lƣợng tia X tƣơng ứng 61,8 % 38,2 %, kết khẳng định nano silica tạo thành tinh khiết, không lẫn tạp chất Theo nghiên cứu Pawel cộng [24] hạt nano silica vơ định hình có kích thƣớc khoảng 250 nm vật liệu phụ gia giúp tăng khả phản ứng pozzolanic, tạo liên kết C-SH giúp tăng đáng kể tính chất vữa xi măng polime chất lƣợng cao Hình 3.7 Thành phần nguyên tố mẫu tro bay loại F (a) nano SiO2 (b) chế tạo từ tro bay Vai trò nano silica vật liệu cƣờng độ cao có số nhóm nghiên cứu đánh giá lý thuyết nhƣ nhóm tác giả Ji [12] Green [6], hạt SiO2 có kích thƣớc nhỏ (hạt nano SiO2 thu đƣợc nhỏ kích thƣớc xi măng khoảng 100 lần đến 1000 lần) nên lấp đầy lỗ trống bê tông xi măng, giúp cho bê tơng xi măng có cấu trúc liên kết chặt hơn, cƣờng 50 độ chịu nén tốt Nano SiO2 tham gia vào phản ứng puzolan tạo C-S-H với độ rắn cao Nano SiO2 đóng vai trị nhƣ tâm tạo nhân cho phép hình thành cụm C-S-H, thúc đẩy mạnh trình hydrat hóa Nhƣ nano SiO2 lấp đầy lỗ trống bê tông xi măng, giúp cho bê tông xi măng liên kết chặt hơn, tạo C-S-H bền vững với độ rắn cao hơn, chịu nén tốt làm cho khối bê tông đặc hơn, làm giảm khuyếch tán ion clo làm tăng khả chống thấm ion clo bê tơng Ngồi ra, lấp đầy lỗ trống bê tông xi măng cƣờng độ cao giúp làm tăng đáng kể diện tích tiếp xúc bề mặt phân tử xi măng có kích thƣớc cỡ vài chục micro (Hình 3.8) dẫn đến tăng lực hút phân tử (van der Waals) bên kết cấu bê tơng giúp hình thành bê tơng cƣờng độ cao siêu cao với tính chất lý vƣợt trội Trong thực tế, đặc tính bê tơng cƣờng độ cao nên bê tơng cần có độ đặc cao giúp tăng cƣờng liên kết Tuy nhiên, lỗ rỗng tồn cấu trúc hồ xi măng ảnh hƣởng lớn tới tính bền cấu trúc Thêm vào sản phẩm cực mịn, có phản ứng hố học, tiến tới lấp đầy khe hạt mà xi măng không lọt đƣợc Khả tăng độ cứng, chịu nén, tăng độ bền học sử dụng hạt nano silica nhƣ vật liệu cơng trình xây dựng đƣợc giải thích dựa chế phản ứng hóa học tạo liên kết cộng hóa trị bền vững khối vật liệu, cịn chế mà chƣa nhiều nghiên cứu quan tâm dựa lực tƣơng tác van der Waals phân tử vật chất khoảng cách định Giữa phân tử vật chất cách khoảng r chúng tƣơng tác hút phân tử bê tông đạt giá trị cực đại khoảng cách 0,37 nm nhƣ mơ tả Hình 1.11 Thế hút phân tử cho bởi: Ehút = - 4ϵσ6/r6 (3.1) 51 Các số ϵ σ đặc trƣng cho lực hút, bán kính đẩy Nếu coi khoảng cách tâm hạt nano đƣờng kính hạt, Các phân tử gần đƣờng kính hạt nhỏ lực van der Waals mạnh Lực van der Waals đóng vai trị lực kết dính phụ thuộc vào tính chất bề mặt vật liệu Nếu có bề mặt gồ ghề, lồi lên nhơ lên, dẫn đến tổng diện tích tiếp xúc lớn hai hạt hạt Hình 3.8 Cơ chế lấp đầy lỗ rỗng để với tƣờng, điều làm tăng tăng cường độ bê tông xi lực hút van der Waals nhƣ xu măng nano SiO2 hƣớng cho liên kết học Hiện thị trƣờng, để sản xuất bê tông cƣờng độ cao, ngƣời ta sử dụng phụ gia silica fume (muội silic) Silica fume sản phẩm siêu mịn, đƣờng kính cỡ hạt trung bình khoảng 1,5 μm, khoảng 1/10 đến 1/100 cỡ hạt xi măng Do đó, đƣợc thêm vào thành phần hỗn hợp vữa bê tông, muội silic bao quanh hạt xi măng, lấp đầy lỗ rỗng siêu nhỏ mà hạt xi măng không lọt tới đƣợc Làm cho khối đổ bê tông đƣợc đặc hơn, hình thành mơi trƣờng đá xi măng có tính liên tục đồng cao sau bê tơng đóng kết, làm tăng khả chịu lực kết cấu bê tông, tạo nên kết cấu bê tơng cƣờng độ cao Do đó, theo hƣớng nghiên cứu thay xi măng hạt nano silica với kích thƣớc 30 - 70 nm hứa hẹn mang lại ứng dụng cho vật liệu bê tơng có cƣờng độ siêu cao, có tính chống thấm tốt nhằm ứng dụng cơng trình đặc biệt 52 Bảng 3.3 Thành phần khối lượng vật liệu cấp phối 1m3 mẫu bê tông cường độ cao Vật liệu Nƣớc (kg) NC FaC SC SFaC 138 139,8 138,5 140,5 Xi măng (kg) 551,6 469,4 549,9 509,8 Đá (kg) 925,7 925,7 925,7 925,7 Cát (kg) 821,7 754,9 808,5 722,8 Tro bay (kg) 117,4 101,96 Nano SiO2 (kg) 0 1,1 1,02 3.2.3 Định hướng ứng dụng nano SiO2 chế tạo từ tro bay vật liệu cường độ cao, chống ăn mòn Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano SiO2 vật liệu cƣờng độ cao siêu sao, chống ăn mòn phục vụ cơng trình xây dựng đặc biệt thu hút đƣợc nhà nghiên cứu nƣớc [4], [25], [27], [33] Vì vậy, để nghiên cứu khả ứng dụng nano SiO2 chế tạo từ tro bay, nhóm nghiên cứu đề xuất xây dựng mẫu bê tông nhằm xác định mức độ ảnh hƣởng nano silica đến tính lý, độ bền mẫu phép đo, khảo sát đặc trƣng Để tạo mẫu bê tông, cần xác định thành phần vật liệu cấp phối mẫu, với mong muốn đạt đƣợc bê tơng cƣờng độ cao có cƣờng độ nén tối thiểu 60 MPa, đá có đƣờng kính D max =12,5 mm, sử dụng xi măng PC40 Các mẫu bê tông dự kiến đƣợc chế tạo gồm: Mẫu bê tông thƣờng (NC), mẫu bê tông trộn tro bay (FaC), mẫu bê tông trộn nano silica (SC) mẫu bê tơng có hỗn hợp tro bay nano silica (SFaC) Các mẫu đƣợc đúc với thành phần vật liệu cấp phối chi tiết mô tả Bảng 3.3, có kích thƣớc tiêu chuẩn (150 mm x 150 mm x 150 mm) dùng để khảo sát tính chất lý mẫu Các mẫu bê tông thử nghiệm sau chế tạo đƣợc khảo sát tính chất lý, độ thấm ion clo theo thời gian khác Nhƣ vậy, mẫu bê 53 tông cần phải đƣợc kiểm tra, đánh giá cƣờng độ độ thấm ion clo để chọn đƣợc mẫu vật liệu bê tơng có chất lƣợng tốt Qua đánh giá khả ứng dụng nano silica loại phụ gia tuyệt vời làm tăng cƣờng độ, tăng khả chống thấm bê tông vật liệu xây dựng cơng trình đặc biệt thực tiễn 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian thực đề tài, chế tạo, khảo sát hình thái, cấu trúc, thành phần vật liệu nano silica thu đƣợc số kết nhƣ sau: Chế tạo thành công hạt nano silica từ tro bay nhiệt điện từ tiền chất hữu TEOS với hình dạng cầu, cấu trúc vơ định hình, xốp nhẹ, phân bố kích thƣớc đồng đều, thành phần hạt nano silica tinh khiết, không lẫn tạp chất Hạt nano silica chế tạo từ tro bay nhiệt điện thu đƣợc có kích thƣớc 30 - 70 nm, bƣớc đầu đánh giá ảnh hƣởng kích thƣớc nano silica đến loại vật liệu bê tông cƣờng độ cao Các vật liệu nano silica có kích thƣớc phù hợp để trở thành vật liệu phụ gia giúp hình thành vật liệu vừa nhẹ vừa có tính chịu nén, độ bền cao, hứa hẹn mang đến cơng trình xây dựng có độ bền cao, chi phí thấp tƣơng lai 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đặng T.T.L., Vƣơng Đ.L.M., Vũ V.C., Hoàng A.T., Nguyễn V.H (2015), “Nghiên cứu ảnh hƣởng vật liệu nano SiO2 điều chế từ tro trấu đến cƣờng độ bê tông xi măng nhiều tro bay”, Tạp chí Hóa học 53, 182-188 [2] Đặng T.T.L., Vƣơng Đ.L.M., Vũ V.C., Hoàng A.T (2017), “Nghiên cứu ảnh hƣởng vật liệu nano SiO2 điều chế từ tro trấu đến khả chống thấm ion clo bê tông xi măng nhiều tro bay”, Tạp chí Hóa học, 55(3), 298-302 [3] Hồng Q.G., Vũ Q.V (2017), “Ứng dụng phụ gia khoáng tro bay vào cơng nghệ vữa xi măng tự chảy khơng co ngót”, Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi trường 56, 88-91 [4] Hoàng T.P., Đinh T.N., Nguyễn Đ.T., Trịnh T.S., Nguyễn T.N.B., Ngô H.A., Nguyễn L.A., Phạm H.T (2016), “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano silica phục vụ trình thu hồi dầu khai thác vận chuyển thu gom dầu thơ Việt Nam”, Tạp chí Dầu khí, Số 9, 24-33 [5] Nguyễn T.T., Nguyễn H.M.P., Hồ N.T.T., Phạm T.B.T., Nguyễn T.K.C., Lê V.N., Nguyễn T.T., Trịnh X.A (2014), “Tổng hợp hạt nano SiO2 từ tro vỏ trấu phƣơng pháp kết tủa”, Tạp chí Khoa học trường Đại học Cần Thơ 32, 120-124 [6] Tran H.B (2018), “Nghiên cứu số tính chất chủ yếu bê tông xi măng nano SiO2 silica fume ứng dụng thiết kế mặt đƣờng ôtô khu vực miền Tây Nam bộ”, Tạp chí Giao thơng Vận tải 66, 28-32 [7] Trung tâm Thông tin (Theo Nanowerk) (2015), công nghệ nano xây dựng phần Tiếng Anh [8] Bang J.H., and Suslick K.S (2010), “Applications of ultrasound to the synthesis of nanostructured materials”, Advanced Materials 22 (10), 10391059 56 [9] Bogush G.H., Tracy M.A., Zukoski C.F (1988), “Preparation of monodisperse silica particles: control of size and mass fraction”, Journal of Non-Crystalline Solids 104(1), 95-106 [10] Elkady H., Elfeky M.S (2013), “Effect of Nano Silica De-agglomeration, and Methods of Adding Super-plasticizer on the Compressive Strength, and Work-ability of Nano Silica Concrete”, Civil and Environmental Research 3(2), 21-34 [11] Green B.H (2006), “Development of a high-density cementitious rockmaching grout using nanoparticles”, Proceedings of ACI Session on Nanotechnology of Concrete: Recent Developments and Future Perspectives, November 7, Denver, USA, 119-130 [12] Gun’ko V.M., Voronin E.F., Nosach L.V., Torov V.V., Wang Z., Vasilenko A.P., Leboda R., Skubiszewska-Zieba J., Janusz W., Mikhalovsky S.V (2011), “Structural, textural and adsorption characteristics of nanosilica mechano-chemically activated in different media”, Journal of Colloid and Interface Science 355(2), 300-311 [13] Hoejun H., Hyeonim J., Keeyoung J., and Chung-Yun K (2018), “Formation of Interfacial Reaction Layers in Al2O3/SS 430 Brazed Joints Using Cu-7Al-3.5Zr Alloys”, Metal 8, 990 [14] Janani P., Ganeshkumar S., Harihananth M (2016), “Mechanical Properties of Nano Silica Concrete”, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology 5(3), 3496-3502 [15] Ji T (2005), “Preliminary study on the water permeability and microstructure of concrete incorporating nano SiO2”, Cement and Concrete Research 35, 1943-1947 [16] Kirfel A., Krane H.G., Blaha P.K., Lippmann T (2001), “Electron density distribution in stishovite, SiO2: a new high-energy synchrotron-radiation study”, Acta Crystallographica Section A 57(6), 663 [17] Klabunde K.J., Stark J., Koper O., Mohs C., Park D.G., Decker S., Jiang 57 Y., Lagadic I., Zhang D (1996), “Nanocrystals as stoichiometric reagents with unique surface chemistry”, The Journal of Physical Chemistry 100(30), 12142-12153 [18] Lam T.D., Hong L.V., Linh Ph.H., Nhung H.T.M., Quy N.T., Tai L.T., Ha P.T., and Phuc N.X (2010), “Biomedical and environmental applications of magnetic nanoparticles”, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology 1, 045013 [19] Li G (2004), “Properties of high-volume fly ash concrete incorporating nano-SiO2”, Cement and Concrete Research 1043-1049 [20] Li H., Hui G.X., Jie Y., Jing O (2004), “Microstructure of cement mortar with nano particles”, Composites Part B Engineering 35(2), 185-189 [21] Mathibela E.A., Frédéric J.D., Richard A.K., Leslie P., and Elizabet M vander Merwe (2019), “Preparation of Sodium Silicate Solutions and Silica Nanoparticles from South African Coal Fly Ash” , Waste and Biomass Valorization 11, 4403-4417 [22] Matsoukas T and Gulari E (1988), “Dynamics of growth of silica particles from ammonia-catalyzed hydrolysis of tetraethylorthosilicate”, Journal of Colloid And Interface Science 124(1), 252-261 [23] Mochamad Z (2017) “Hematite from Natural Iron Stones as Microwave Absorbing Material on X-Band Frequency Ranges”, Materials Science and Engineering 196, 2-5 [24] Nguyen T.H.H and Kim Anh B.T (2017), “The removal of heavy metals by iron mine drainage sludge and Phragmites australis”, IOP Conf Series: Earth and Environmental Science 71, 012022 [25] Osterle W., Dmitriev A.I., Wetzel B., Zhang G., Hausler I., Jim B.C (2016), “The role of carbon fibers and silica nanoparaticles friction and wear reduction of an advanced polymer matrix composite”, Materials & Design, 93, 474-484 [26] Paweł S., Paweł L., Krzysztof C., Elżbieta H., Ewa M (2015), “The effect 58 of nanosilica on the mechanical properties of polymercement composites (PCC)”, 7th Scientific-Technical Conference Material Problems in Civil Engineering, 139-145 [27] Puput R., Poppy P., Ekaputri J.J (2017), “Chemical and Physical Characteri-zation of Fly Ash as Geopolymer Material”, MATEC Web of Conferences 97, 01031 [28] Quy D.V, Hieu N.M, Tra P.T, Nam N.H, Hai N.H, Son N.T, Nghia P.T, Van A.N.T., Hong T.T, and Luong N.H (2013), “Synthesis of Silica Coated Magnetic Nanoparticles and Application in the Detection of Pathogenic Viruses”, Journal of Nanomaterials 2013, 603940, pages [29] Said A.M., Zeidan M.S (2009), “Enhancing the reactivity of normal and fly ash concrete using colloidal nano silica”, Special Publication 267, 7586 [30] Said A.M., Zeidan M.S., Bassuoni M.T, Tian Y (2012), “Properties of concrete incorporating nano silica”, Construction and Building Materials 36, 838-844 [31] Shah S.P., Pengkun H., Xin C (2015), “Durability of Cement-Based Materials and Nano-particles”, Nanotechnology in Construction 15-24 [32] Sharanabasava V.G., Venugopal K.J., Ravishankar B., Raghunandan D., Basavaraja S., Srinivasa R., Venkataraman A (2012), “Large scale synthesis and characterization of γ-Fe2O3 nanoparticles by self-propagating low temperature combustion method”, International Journal of Science Research 01(02), 77-79 [33] Sidney D (1986), “Particle morphologies in fly ash”, Cement and concrete Research 16, 569-579 [34] Sobolev K., Ferrada G.M (2005), “How nanotechnology can change the concrete world: part 2”, Am Ceram Soc Bull 84(11), 16-19 [35] Stanislav V.V and Rosa M (2005), “Phase-mineral and chemicalcomposition of coal fly ashes as a basis for their multicomponent 59 utilization Characterization of heavy concentrates and improved fly ash residues”, Fuel 84 (7-8), 973-991 [36] St ber W, Fink A., and Bohn E (1968), “Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range”, Journal of Colloid And Interface Science 26(1), 62-69 [37] Supit S.W.M, Faiz U.A.S (2015), “Durability properties of high volume fly ash concrete containing nano silica”, Materials and structures 48(8), 2431-2445 [38] Thinh N.V., Akinori O., Hoang N.T., Anh N.D., Yen T.T and Kiyoshi K (2016), “Arsenic and Heavy Metal Contamination in Soils under Different Land Use in an Estuary in Northern Vietnam”, Int J Environ Res Public Health 13, 1091 60