Tuổi thọ của vật liệu chế tạo ống địa kỹ thuật quyết định thời gian làm việc của đê xây dựng bằng ống địa kỹ thuật nhồi cát. Độ chính xác của phép dự báo phụ thuộc vào phương trình dự báo có phản ánh đầy đủ các yếu tố khí hậu, thời tiết, môi trường, điều kiện sử dụng ... tác động lên ống địa kỹ thuật và tiêu chuẩn hư hỏng mẫu được lựa chọn có tiêu biểu hay không. Việc gia tốc quá trình lão hóa cho phép đánh giá nhanh hơn quá trình phá hủy của vật liệu. Bài viết trình bày kết quả dự báo tuổi thọ sử dụng của ống địa kỹ thuật theo phương pháp nhiệt vi sai.
Trang 1TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 41
PHƯƠNG PHÁP NHIỆT VI SAI XÁC ĐỊNH TUỔI THỌ CỦA ỐNG
ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐÊ
DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY METHOD TO DETERMINE THE
LIFE TIME OF GEOTUBE USED FOR DIKE CONSTRUCTION
Vương Quang Việt
Viện Nhiệt đới môi trường
Tóm tắt: Tuổi thọ của vật liệu chế tạo ống địa kỹ thuật quyết định thời gian làm việc của đê xây
dựng bằng ống địa kỹ thuật nhồi cát Độ chính xác của phép dự báo phụ thuộc vào phương trình dự báo có phản ánh đầy đủ các yếu tố khí hậu, thời tiết, môi trường, điều kiện sử dụng tác động lên ống địa kỹ thuật và tiêu chuẩn hư hỏng mẫu được lựa chọn có tiêu biểu hay không Việc gia tốc quá trình lão hóa cho phép đánh giá nhanh hơn quá trình phá hủy của vật liệu Bài viết trình bày kết quả
dự báo tuổi thọ sử dụng của ống địa kỹ thuật theo phương pháp nhiệt vi sai
Từ khoá: Tuổi thọ, vật liệu dệt PES
Abstract: The life time of geotube materials determines the work life of sand-filled geotube
containment dykes Accuracies of predictions depend on whether the prediction equation sufficiently includes the factors that impact on geotube such as climate, weather, environment and use conditions and whether the selected sample damage criteria are typical Acceleration of aging enables quicker evaluation of material decomposition This article shows results of geotube life time prediction with a
differential scanning calorimetry method
Key words: Lifetime, PES textile material
1 Giới thiệu
Vật liệu dệt polyeste (PES) thường được
dùng trong chế tạo ống địa kỹ thuật nhồi cát
xây dựng đê do một số ưu điểm vượt trội là
độ bền cơ học cao, chịu nhiệt, kháng UV,
khó bị thủy phân trong nước, Tuổi thọ của
đê phụ thuộc vào tuổi thọ của ống địa kỹ
thuật xây dựng đê - đây là khoảng thời gian
liên tục tính từ khi đê được xây dựng (ống
địa kỹ thuật chịu tác động của điều kiện sử
dụng cũng như của môi trường sử dụng) cho
đến khi bị hư hỏng căn cứ theo một tiêu
chuẩn nào đó Phương pháp xác định thời
gian làm việc tốt nhất là phơi mẫu hiện
trường tuy nhiên tiêu tốn nhiều thời gian.Vì
vậy cần đến phương pháp gia tốc quá trình
lão hóa hoặc các phiên bản của nó Độ chính
xác của phép dự báo phụ thuộc vào phương
trình dự báo có phản ánh đầy đủ các yếu tố
khí hậu, thời tiết, môi trường, điều kiện sử
dụng tác động lên ống địa kỹ thuật và tiêu
chuẩn hư hỏng mẫu được lựa chọn có tiêu
biểu hay không [1, 2] Mục tiêu của nghiên
cứu là sử dụng phương pháp nhiệt vi sai dự
báo thời gian hoặc tuổi thọ của vật liệu chế
tạo ống địa kỹ thuật Bài báo này trình bày
một số kết quả nghiên cứu về tuổi thọ của vật
liệu dệt PES làm ống địa kỹ thuật – bằng phương pháp nhiệt vi sai (DTA)
2 Phương pháp nghiên cứu 2.1 Nguyên vật liệu
Vải polyester GM200 Hàn Quốc có các thông số chính sau: Trọng lượng: 600 g/m2;
độ bền kéo đứt theo chiều dọc và ngang: >
200 kN/m; độ dãn dài khi đứt theo chiều dọc
và ngang < 15 %; hệ số thấm: 10-5 m/s; kích thước lỗ O90: 0,075 mm; khổ rộng: 3,6 m; chiều dày: 2 mm
2.2 Phương pháp nghiên cứu
Phân tích nhiệt vi sai trên thiết bị: Netzsch STA 409 PC với detector DTG-60; Chế độ: Môi trường phân tích khí argon, thực hiện với các chế độ gia nhiệt: 2,5; 5,0; 7,5; 10,0 oC/phút tại Phòng Thí nghiệm Đại học Bách khoa Hà Nội
Thử nghiệm động học phân hủy trọng lượng nhiệt dựa vào phương pháp Ozawa/Flynn/Wall theo ASTM: E1641 - 15 [3]
Tính toán bền nhiệt của vật liệu từ số liệu phân hủy trọng lượng nhiệt theo ASTM: E1877 - 15 [4]
3 Kết quả và thảo luận
Trang 242
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016
3.1 Xây dựng giản đồ tương quan logv
– giản đồ Arrhenius
Kết quả phân tích DTA trong môi trường
argon với các tốc độ gia nhiệt khác nhau
được trình bày trên giản đồ hình 1
Hình 1 Giản đồ DTA của mẫu vật liệu GM200 trong
môi trường argon.
Từ kết quả phân tích DTA, chọn mức độ
phân hủy 10 % để tính toán với các tốc độ
gia nhiệt v tương ứng 2,5; 5,0; 7,5; 10,0
oC/phút Xác định các nhiệt độ giảm khối
lượng tương ứng Kết quả trình bày trong
bảng 1
Bảng 1 Giá trị logv và nhiệt độ
Tốc độ
gia nhiệt
v
( o C/phút)
Logv Nhiệt
độ phân hủy ( o C)
Nhiệt
độ phân hủy ( o K)
1000/T
2,5 0,3979 385 658 1,5189
7,5 0,8751 408 681 1,4684
Xây dựng giản đồ Arrhenius - tương
quan logv = f(1000/T) trình bày trong hình 2
Hình 2 Giản đồ Arrhenius
Đườnghồi quy tuyến tính của giản đồ có
dạng:
logv = −10.000.1
T+ 15,5500 (1)
Xác định năng lượng hoạt hóa của quá trình theo ASTM: E1877-15
Phương trình năng lượng có dạng:
E =R
b a (2) Trong đó:
E: Năng lượng hoạt hóa Arrhenius (J/mol);
R: Hằng số khí = 8,31451 J/(mol K); a: Hệ số góc (theo ASTM: E1641-15):
a =∆(logv)
∆(1T) = 10.000;
b từ bảng cho trước và lần đầu lấy giá trị
b = 0,4570 Thay vào tính:
E =8,314
0,457 10.000 = 181.926 J/mol Tính lặp lại: E
RT= 191.926
8,314x677= 32,3218 tra bảng b = 0,461
Tính lại E:
E =8,314
0,461 10.000 = 180.347 J/mol Kết quả này cho chênh lệch nhỏ hơn 1
% Chấp nhận kết quả này: E=180.347 (J/mol);
E
RT= 32,3218;
B = 0,461 ở nhiệt độ 404 oC hay 677 oK
3.2 Xây dựng giản đồ chịu nhiệt của vật liệu
Giản đồ chịu nhiệt của vật liệu ống địa
kỹ thuật được xây dựng theo ASTM:
E1877-15
Phương trình chịu nhiệt của vật liệu có dạng:
log[t] = E
(2,303.R.T)+ log E
Rv− a (3) Với 𝐸
𝑅𝑇 = 32,3218 nằm giữa 32 và 33, tra bảng lấy giá trị gần đúng: a=17,0802; v =
5 oC/phút; thay các giá trị vào phương trình (3) ta có:
logt = 9419.1
T− 13,4429 (4) Trong đó:
t tính bằng phút;
Hệ số chuyển đổi sang năm bằng (t/60.24.365) = t(1,9026.10-6) (năm)
Trang 3TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 43
Kết quả tính với dải các nhiệt độ khác
nhau, chuyển đổi về thời gian năm trong
bảng 2 và trình bày trong hình 3 với trục
logarit thời gian
Bảng 2 Thời gian chịu nhiệt ở các nhiệt độ
T
( o C)
T
( o K)
Logt t (phút) t (năm)
120 393 10,5240 3,341950.10 10 63.584
140 413 9,3634 2,308872.10 9 4.393
160 433 8,3100 204,174.10 6 388,5
180 453 7,3500 22,38721.10 6 42,59
200 473 6,7704 5,893862.10 6 11,2
240 513 4,9177 82,737.10 3 0,1574
Hình 3 Tương quan giữa nhiệt độ môi trường và
thời gian chịu nhiệt của vật liệu
Qua đồ thị có thể thấy vật liệu PES có độ
bền nhiệt cao: Trên 100 oC vật liệu có thời
gian chịu nhiệt giảm nhanh, nhưng cũng rất
dài: Ở khoảng 180 oC thời gian chịu nhiệt
của vật liệu còn tới 42,6 năm Thực tế vật
liệu làm việc trong khoảng nhiệt độ cực đoan
chỉ tới khoảng 70 – 90 oC ngoài trời còn khá
thấp so với môi trường thử nghiệm
4 Kết luận
Trước khi được sử dụng phổ biến như
ngày hôm nay, độ bền của vải địa đã là một
chỉ tiêu quan trọng (có thể là lớn nhất) được
các nhà thiết kế ứng dụng quan tâm từ ngay
ban đầu Tuổi thọ của công trình ứng dụng
thường dài: theo Sở Giao thông vận tải (UK)
là 120 năm [5], các công trình tại Việt Nam
được yêu cầu (không chính thức) là trên 20
năm
Phương pháp nhiệt vi sai chỉ tính ảnh
hưởng nhiệt độ của môi trường đến quá trình
lão hóa của vật liệu làm ống địa kỹ thuật,
nhưng nó cho ta thấy sự lựa chọn PES làm
nguyên liệu chế tạo ống địa kỹ thuật là chính
xác khi xét về tuổi thọ của đê Điều này hoàn
toàn xác đáng vì nhiệt độ là một trong số các yếu tố chính gây nên lão hóa vật liệu polyme Các dữ liệu của đường nhiệt động xác định bằng phương pháp nhiệt vi sai khẳng định các kết quả xác định tuổi thọ của vật liệu dệt này bằng các phương pháp bán thực nghiệm khác (phản ánh các yếu tố khí hậu, thời tiết, môi trường, điều kiện sử dụng, ) cho kết quả dao động 20-25 năm là đáng tin cậy và hoàn toàn phù hợp với công bố của các nhà khoa học ở các nước [6, 7, 8]
Thử nghiệm DTA của mẫu trong môi trường không khí sẽ cung cấp thêm các thông tin về ảnh hưởng của quá trình oxy hóa nhiệt lên mức phá hủy vật liệu
Lời cảm ơn
Tác giả chân thành cám ơn PGS TS Nguyễn Anh Tuấn – Đại học Báck khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ và đóng góp ý kiến
để hoàn thành bài báo
Tài liệu tham khảo
[1] Krystian W Pilarczyk (1998), Dikes and Revetments: Design, Maintenance and Safety Assessment, Publisher A A Balkema, Rotterdam
[2] Wojciech Prochera (2001), “Charaterystyka geotuby”, biuletin ochrona srodowiska 8/2001 [3] ASTM: E1641-15, Standard Test Method for Decomposition Kinetics by Thermogravimetry Using the Ozawa/Flynn/Wall Method
[4] ASTM: E1877-15, Standard Practice for Calculationg Thermal Endurance of Materials from Thermogravimetry Decomposition Data [5] Corbet S., and King J., (1993), Geotextiles in filtration and drainage, Thomas Telford Service
Ltd., London
[6] Huỳnh Văn Trí (2006), Công nghệ gia công sợi hóa học, NXB Đại học quốc gia Tp HCM
[7] Donald G (director) (2011), The durability of geotextiles, GEOfabrics Limited, UK
[8] Eugeniusz Dembicki, Lucyna Niespodzińska (1991), “Geotextiles in coastal engineering
practice”, Geotextiles and geomembranes, Vol
10, Issue 2, p 147–159
Ngày nhận bài: 01/03/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 25/03/2016 Ngày chấp nhận đăng: 28/03/2016
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
100 150 200 250
Nhiệt độ (oC)