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

Tạp chí Hóa học, 55(3): 298-302, 2017 
DOI: 10.15625/0866-7144.2017-00462 
298 
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 
1Bộ môn Hóa học, Đại học Thủy Lợi 
2Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội 
3
Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Giao thông Vận tải 
4Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam 
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 SiO2 powders had monoclinic 
crystal system, large specific surface area (258.3 m
2
/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 cm
2
/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/cm
3
. 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 
là nước sạch, CVN 4506: 2012. 
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 
m
2/gam, kích thước hạt 10-15 nm [7]. 
TCHH, 55(3), 2017 Đặng Thị Thanh Lê và cộng sự 
299 
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 1m
3
 bê tông) 
Loại bê tông 
 Nano SiO2 
(kg) 
Xi măng 
(kg) 
Tro bay 
(kg) 
Cát 
(kg) 
Đá 
(kg) 
Nước 
(lit) 
Phụ gia SD 
(lit) 
FA40NS0 0 254 169 709 1090 169 3,38 
FA40NS1 4,23 254 165 709 1090 169 3,38 
FA40NS2 8,46 254 161 709 1090 169 3,38 
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 3119-
93 [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 
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. 
TCHH, 55(3), 2017 Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu nano 
300 
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 m
2
/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]. 
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 
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
keV
003
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
C
o
u
n
ts
C
K
a
O
K
a
S
iK
a
Element (keV) Mass% Atom%
C K 0.277 8.44 13.31 
O K 0.525 48.91 57.92 
Si K 1.739 42.66 28.78 
Total 100.00 100.00
C
o
u
n
ts
C
K
a
O
K
a
S
iK
a
TCHH, 55(3), 2017 Đặng Thị Thanh Lê và cộng sự 
301 
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 
TCHH, 55(3), 2017 Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu nano 
302 
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. 
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. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. 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). 
2. 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). 
3. Konstantin Sobolev, Ismael Flores, Roman 
Hermosillo, Leticia M. Torres-Martínez. 
Nanomaterial and nanotechnology for high-
performance cement composites. Proceedings of ACI 
Session on Nanotechnology of Concrete: Recent 
Developments and Future Perspectives, November 7 
(2006), Denver, USA, 91-118. 
4. Khanzadi M., Tadayon M., Sepehri H. and Sepehri, 
M. Year. Influence of Nano-Silica Particles on 
Mechanical Properties and Permeability of Concrete. 
In: Second International Conference on Sustainable 
Construction Materials and Technologies, Università 
Politecnica delle Marche, Ancona, Italy (2010). 
5. 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). 
6. Li G. and Zhao X. Properties of concrete 
incorporating fly ash and ground granulated blast-
furnace slag, Cement and Concrete Composites, 
25(3), 293-299 (2003). 
7. 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). 
8. ACI 211.1. Standard Practice for Selecting 
Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass 
Concrete. 
9. TCVN 3105:2012. Hỗn hợp bê tông và bê tông nặng 
- Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử. 
10. TCVN 3118-93. Bê tông nặng - Phương pháp xác 
định cường độ chịu nén. 
11. TCVN 3119-93. Bê tông nặng - Phương pháp xác 
định cường độ kéo uốn. 
12. ASTM C1202. Standard test method for electrical 
indication of concrete's ability to resist chloride ion 
penetration. 
13. TCVN 9337:2012. Bê tông nặng - Xác định độ thấm 
ion clo bằng phương pháp đo điện lượng. 
14. Phạm Duy Hữu. Công nghệ bê tông và kết cấu bê 
tông, Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, Hà Nội 
(2010). 
15. T. Ji. Preliminary study on the water permeability 
and microstructure of concrete incorporating nano-
SiO2. Cement and Concrete Research, 35, 1943-1947 
(2005). 
16. G. Li. Properties of high-volume fly ash concrete 
incorporating nano-SiO2, Cement and Concrete 
Research, 34, 1043-1049 (2004). 
17. 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). 
18. B. H. Green. Development of a high-density 
cementitious rock-maching grout using nano-
particles. 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.