Ảnh hưởng của nanoclay và ống nanocacbon đến tổ chức và cường độ chịu nén của xi măng nanocompozit - Phạm Tuấn Anh

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