Ảnh hưởng của Nanoclay và ống Nanocacbon đến tổ chức và cường độ chịu nén của Xi Măng Nanocompozita

Hóa học & Kỹ thuật môi trường<br /> <br /> ẢNH HƯỞNG CỦA NANOCLAY VÀ ỐNG NANOCACBON<br /> ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN<br /> CỦA XI MĂNG NANOCOMPOZIT<br /> Phạm Tuấn Anh1, Vũ Minh Thành1*, Đoàn Tuấn Anh1, Lê Văn Thụ2,<br /> Đào Văn Chương2, Hoàng Thị Ngọc Hà3, Nguyễn Văn Thao4<br /> Tóm tắt: Xi măng chứa nanoclay và ống nano cacbon là loại xi măng<br /> nanocompozit có nhiều tính chất ưu việt đang được nghiên cứu sử dụng để nâng cao<br /> tính chống thấm và độ bền cho các công trình xây dựng. Bài báo này khảo sát ảnh<br /> hưởng của hàm lượng nanoclay, ống nano carbon (CNT) sau biến tính đến tổ chức<br /> và cường độ chịu nén của xi măng nanocompozit. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng,<br /> xi măng chứa 0,6% nanoclay và 0,02% CNT có cường độ chịu nén tăng 27% so với<br /> xi măng thông thường.<br /> Từ khóa: Nanoclay, Ống nano carbon, Xi măng nanocompozit, Cường độ chịu nén.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Nâng cao chất lượng của xi măng là một đòi hỏi cấp thiết để đáp ứng yêu cầu kỹ<br /> thật của các công trình xây dựng đặc biệt quan trọng [1]. Đây là một hướng nghiên<br /> cứu đã và đang được nhiều quốc gia quan tâm để tạo ra sản phẩm xi măng chất<br /> lượng cao có nhiều tính năng ưu việt [2]. Xi măng nanocompozit được chế tạo từ<br /> clinke, nanoclay và ống nanocacbon (CNT) có tính năng vượt trội so với xi măng<br /> thông thường, làm tăng tính chống thấm và cường độ chịu nén của bê tông [3,4].<br /> Hướng nghiên cứu này đã được Trung tâm Phát triển Công nghệ cao, Viện Hàn<br /> lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam triển khai thực hiện với mục tiêu tạo ra sản<br /> phẩm xi măng nanocompozit chất lượng cao bằng nguồn nguyên liệu sẵn có trong<br /> nước. Do vậy, vấn đề khảo sát ảnh hưởng của nanoclay và CNT tới tổ chức và<br /> cường độ chịu nén của xi măng là cần thiết nhằm lựa chọn ra thành phần phối liệu<br /> hợp lý trong chế tạo xi măng nanocompozit.<br /> 2. THỰC NGHIỆM<br /> 2.1. Nguyên vật liệu<br /> - Clinke: loại CPC40, nơi sản xuất Công ty xi măng Vicem Hoàng Thạch, trên<br /> 90% hạt có kích thước nhỏ hơn 90 μm;<br /> - Nanoclay đã biến tính có độ sạch > 90%, chiều dài hạt trung bình 100 ÷ 150 nm;<br /> - Ống nanocacbon đã biến tính có độ sạch > 90%, đường kính ống 10 ÷ 50 nm,<br /> chiều dài ống trung bình 1 ÷ 10 µm;<br /> - Cát đảm bảo theo tiêu chuẩn TCVN 7570-2006.<br /> 2.2. Thiết bị chế tạo và phân tích mẫu<br /> 2.2.1. Thiết bị chế tạo<br /> - Cân kỹ thuật có độ chính xác đến 1,0 g;<br /> - Ống đong các loại;<br /> - Khuôn chế tạo mẫu xác định cường độ nén theo TCVN 6016:2011;<br /> - Máy trộn xi măng.<br /> <br /> <br /> 136 P. T. Anh, V. M. Thành, …, “Ảnh hưởng của nanoclay… của xi măng nanocompozit.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2.2.2. Thiết bị phân tích<br /> - Thiết bị thử nén xác định cường độ nén theo TCVN 6016:2011;<br /> - Kính hiển vi điện tử quét xác định hình thái học bề mặt của mẫu xi măng.<br /> 2.3. Chế tạo mẫu vữa xi măng<br /> Chế tạo các mẫu xi măng nanocompozit từ clinke, nanoclay và CNT có thành<br /> phần thay đổi như bảng 1 bằng công nghệ nghiền trộn trong máy nghiền bi.<br /> Sau đó chế tạo mẫu xác định cường độ chịu nén kích thước 40×40×160 mm có<br /> phối liệu: 450g ± 2g xi măng, 1350g ± 5g cát, 225g ± 1g nước và mẫu vữa xi măng<br /> chụp ảnh hiển vi điện tử quét có tỷ lệ xi măng : nước = 3 : 1.<br /> Bảng 1. Thành phần phối liệu của xi măng nanocompozit.<br /> Thành phần khối lượng, %<br /> TT Ký hiệu mẫu Ống nano<br /> Nanoclay Clinke<br /> carbon<br /> 1 XM-0 0 0 100<br /> 2 XM-1.1 0,2 0 Còn lại<br /> 3 XM-1.2 0,4 0 Còn lại<br /> 4 XM-1.3 0,6 0 Còn lại<br /> 5 XM-2.1 0 0,005 Còn lại<br /> 6 XM-2.2 0 0,02 Còn lại<br /> 7 XM-2.3 0 0,06 Còn lại<br /> 8 XM-2.4 0 0,2 Còn lại<br /> 9 XM-3.1 0,6 0,005 Còn lại<br /> 10 XM-3.2 0,6 0,02 Còn lại<br /> 11 XM-3.3 0,6 0,06 Còn lại<br /> 12 XM-3.4 0,6 0,2 Còn lại<br /> 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> 3.1. Hình thái học bề mặt của các mẫu xi măng nanocompozit<br /> Các mẫu xi măng sau 28 ngày tiến hành chụp ảnh SEM ở các độ phóng đại khác<br /> nhau như hình 1. Nhìn vào ảnh SEM trên hình 1 nhận thấy, nanoclay và CNT đều<br /> xuất hiện trong những mẫu xi măng có bổ sung thành phần này.<br /> Khi bổ sung nanoclay trong các mẫu XM-1.1, XM-1.2, XM-1.3 nhận thấy không<br /> xuất hiện vết nứt và các lỗ rỗ như trong mẫu XM-0. Cấu trúc lớp của nanoclay còn<br /> thấy xuất hiện trong các mẫu XM-3.1, XM-3.2, XM-3.3 và XM-3.4. Do đó, có thể<br /> thấy nanoclay đóng vai trò giảm thiểu vết nứt và khe hở trong xi măng.<br /> Khi bổ sung CNT trong các mẫu từ XM-2.1 đến XM-3.4 nhận thấy trong vữa xi<br /> măng CNT một phần bị bao bọc bởi vữa xi măng, một phần ở dạng CNT tự do.<br /> Thành phần CNT trong vữa xi măng có vai trò giống như nanoclay. Thành phần<br /> CNT tự do đóng vai trò là cầu nối giữa các hạt, các phần trong xi măng có tác dụng<br /> cản trở sự phát triển của vết nứt nâng cao cơ tính cho vữa xi măng. Nhìn vào ảnh<br /> SEM cũng nhận thấy, khi tăng hàm lượng CNT thì lượng CNT tự do trong vữa xi<br /> măng cũng tăng lên.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 137<br />  Hóa học & Kỹ thuật môi trường<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (1) (2) (3)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (4) (5) (6)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (7) (8) (9)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (10) (11) (12)<br /> Hình 1. Ảnh SEM của các mẫu xi măng sau 28 ngày.<br /> Mẫu XM-0 (1); Mẫu XM-1.1 (2); Mẫu XM-1.2 (3); Mẫu XM-1.3 (4);<br /> Mẫu XM-2.1 (5);Mẫu XM-2.2 (6);Mẫu XM-2.3 (7); Mẫu XM-2.4 (8);<br /> Mẫu XM-3.1 (9); Mẫu XM-3.2 (10);Mẫu XM-3.3 (11); Mẫu XM-3.4 (12).<br /> 3.2. Cường độ nén của các mẫu xi măng nanocompozit<br /> Tiến hành xác định cường độ chịu nén của các mẫu xi măng sau 3 ngày và sau<br /> 28 ngày. Kết quả cường độ chịu nén được thể hiện trên đồ thị hình 2.<br /> Kết quả trên hình 2 nhận thấy, khi bổ sung nanoclay và CNT thì đều có hiệu<br /> ứng làm tăng cường độ chịu nén so với xi măng thông thường.<br /> Ở hình 2a, hàm lượng nanoclay được bổ sung 0,4% ở mẫu XM-1.2 và 0,6% ở<br /> mẫu XM-1.3 cho kết quả cường độ chịu nén tăng khoảng 15%. Còn ở mẫu XM-1.1<br /> có hàm lượng nanoclay 0,2% cho kết quả thay đổi cường độ chịu nén không nhiều.<br /> <br /> <br /> 138 P. T. Anh, V. M. Thành, …, “Ảnh hưởng của nanoclay… của xi măng nanocompozit.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Do nanoclay biến tính có tính kỵ nước nên khi phân bố trong xi măng sẽ giúp các<br /> hạt clinke dễ dàng trượt lên nhau làm tăng mật độ của xi măng. Đồng thời, với kích<br /> thước nhỏ mịn nên nanoclay dễ dàng chèn vào các vị trí vết nứt tế vi tạo thành<br /> trong quá trình thủy hóa giúp nâng cao cơ tính của xi măng.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (c)<br /> Hình 2. Cường độ chịu nén của các mẫu xi măng.<br /> Hình 2b là kết quả cường độ chịu nén của xi măng khi bổ sung CNT. Khi tăng<br /> hàm lượng CNT thì cường độ chịu nén của mẫu tăng, sau đó giá trị cường độ chịu<br /> nén lại giảm dần. Kết quả hình 2b chỉ ra mẫu XM-2.2 với hàm lượng CNT 0,02%<br /> cho giá trị cường độ chịu nén cao nhất, tăng khoảng 25% so với mẫu xi măng<br /> thông thường XM-0. Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng này là do với hàm<br /> lượng CNT thấp thì lượng CNT tự do đóng vai trò làm cầu nối ngăn cản vết nứt<br /> trong xi măng thể hiện không rõ nét. Ngược lại, khi tiếp tục tăng hàm lượng CNT<br /> trong xi măng lên thì lượng CNT tự do cũng tăng do vậy chúng làm cản trở quá<br /> trình thủy hóa, bên cạnh đó lượng CNT tự do lại có thể trở thành tâm để phát triển<br /> các vết nứt tế vi. Chính điều này làm giảm tính chất của xi măng nano compozit.<br /> Hình 2c là cường độ chịu nén của các mẫu có cùng hàm lượng nanoclay 0,6%<br /> còn hàm lượng CNT thay đổi, hiệu ứng cũng tương tự như các mẫu trên hình 2b,<br /> tuy nhiên nhờ có thêm nanoclay nên các mẫu này có giá trị cường độ chịu nén cao<br /> hơn so với các mẫu trên hình 2b. Mẫu XM-3.2 với hàm lượng nanoclay 0,6% và<br /> CNT 0,02% cho giá trị cường độ chịu nén cao nhất, cao hơn 27% so với mẫu xi<br /> măng thông thường XM-0.<br /> Từ hình 2 thấy ảnh hưởng của ống nano cacbon (CNT), với hàm lượng thích<br /> hợp, đến cường độ chịu nén của xi măng nanocompozit là rõ rệt.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Nanoclay và ống nanocacbon làm giảm thiểu các vi vết nứt và khe hở trong xi<br /> măng và có ảnh hưởng lớn đến tổ chức, tính chất của vữa xi măng. Khi thêm 0,6%<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 139<br />  Hóa học & Kỹ thuật môi trường<br /> <br /> nanoclay và 0,02% ống nanocacbon vào xi măng thì cường độ chịu nén sau 28<br /> ngày của xi măng đạt 60,0 Mpa, tăng 27% so với xi măng thông thường.<br /> Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của đề tài độc lập cấp<br /> Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam “Nghiên cứu công nghệ chế tạo xi<br /> măng nano composit ứng dụng trong bê tông siêu chống thấm", mã số<br /> VAST.ĐL.05/13/14.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Lê Bá Cẩn, "Xi măng và bê tông nặng", NXB Khoa học và kỹ thuật, 2008.<br /> [2]. Li GY, Wang PM, Zhao X, "Mechanical behavior and microstructure of<br /> cement composites incorporating surface-treated multi-walled carbon<br /> nanotubes", Carbon 2005.<br /> [3]. M.S. Morsy, S.H. Alsayed, M. Aqel, "Hybrid effect of carbon nanotube and<br /> nanoclay on physico-mechanical properties of cement mortar", Construction<br /> and Building Materials 25, P 145 - 149, 2011<br /> [4]. G. Ferro et all, "Carbon nanotubes cement composites", Cassino (FR), Italia,<br /> 13-15 Giugno 2011.<br /> [5]. TCVN 6016:2011, "Xi măng - Phương pháp thử - Xác định cường độ", Bộ<br /> KH&CN, 2011.<br /> [6]. Nguyễn Tấn Quý, Nguyễn Thiện Ruệ, "Giáo trình công nghệ bê tông xi<br /> măng", NXB Giáo dục Việt Nam, 2009.<br /> [7]. Rafat Siddique, Ankur Mehta, "Effect of carbon nanotubes on properties of<br /> cement mortars", Construction and Building Materials 50 (2014) 116 - 129.<br /> ABSTRACT<br /> EFFECTS OF NANOCLAY AND CARBON NANOTUBES<br /> ON THE MICRO STRUCTURE AND COMPRESSIVE STRENGTH<br /> OF THE NANOCOMPOSITE CEMENT<br /> The cement containing nanoclay and carbon nanotubes as<br /> nanocomposite cements have many advance properties are being studied to<br /> improve the use of waterproofing and durability of the construction works.<br /> This paper investigated the effect of nanoclay, modified carbon nanotubes<br /> (CNT) content on the micro structure and compressive strength of the<br /> nanocomposites cement. Research results indicate that the cement containing<br /> 0.6% nanoclay and 0.02% CNT have the compressive strength increased by<br /> 27% compared with conventional cements.<br /> Keywords: Nanoclay, Carbon nanotubes, Nano-composite cement, Compressive strength.<br /> <br /> Nhận bài ngày 27 tháng 05 năm 2015<br /> Hoàn thiện ngày 28 tháng 03 năm 2016<br /> Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 08 năm 2016<br /> Địa chỉ: 1 Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng;<br /> 2<br /> Viện Kỹ thuật Hóa học, Sinh học và Tài liệu nghiệp vụ, Tổng cục HC-KT, Bộ Công an ;<br /> 3<br /> Khoa Tự nhiên, Đại học Hoa Lư Ninh Bình ;<br /> 4<br /> Trung tâm Phát triển Công nghệ cao, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.<br /> *<br /> Email: vmthanh222@yahoo.com.<br /> <br /> <br /> 140 P. T. Anh, V. M. Thành, …, “Ảnh hưởng của nanoclay… của xi măng nanocompozit.”<br />