Bê tông được sử dụng trong xây dựng các cơ sở hạt nhân, nhà máy điện hạt nhân với hai mục đích chính: (1) che chắn bức xạ ion hóa và (2) nâng đỡ các kết cấu của thùng lò phản ứng. Kết cấu bê tông gần thùng lò phản ứng được gọi là tường chắn sinh học (biological shielding wall)- BSW (hình 1) bao quanh thùng lò và có chiều dày từ 1-3 mét tùy thuộc vào thiết kế.
Trang 1Bê tông được sử dụng trong xây dựng các cơ sở
hạt nhân, nhà máy điện hạt nhân với hai mục
đích chính: (1) che chắn bức xạ ion hóa và (2)
nâng đỡ các kết cấu của thùng lò phản ứng Kết
cấu bê tông gần thùng lò phản ứng được gọi là
tường chắn sinh học (biological shielding wall)-
BSW (hình 1) bao quanh thùng lò và có chiều
dày từ 1-3 mét tùy thuộc vào thiết kế Trong điều
kiện vận hành bình thường, mặt trong BSW chịu
thông lượng bức xạ cao (tia neutron và gamma)
từ thùng lò, nhiệt độ được kiểm soát dưới 65oC để
tránh sự mất nước và thoái hóa do nhiệt độ cao
Tuy nhiên, khi bị sự cố nặng (severe accident) ví
dụ tai nạn nóng chảy lõi lò phản ứng ở các nhà
máy điện hạt nhân Fukushima daiichi, BSW có
thể tiếp xúc cục bộ bức xạ nhiệt từ nhiên liệu
nóng chảy Những thoái hóa do nhiệt ở bê tông
kết cấu có thể ảnh hưởng đến khả năng chịu lực
trong quá trình tháo dỡ nhiên liệu nóng chảy có
thể kéo dài hàng chục năm Mục đích của nghiên
cứu này là đánh giá khả năng sử dụng sóng âm
để đánh giá các tính chất của bê tông khi bị tiếp
xúc nhiệt độ cao Mặt dù rất khó để tiếp cận BSW
do bức xạ cao, JAEA (cơ quan năng lược nguyên
tử Nhật bản) đang nghiên cứu sử dụng laser dựa
trên sóng siêu âm (Laser ultrasonics) để khảo sát
tính toàn vẹn (integrity assessment) của BSW
Vì vậy, nghiên cứu này được tài trợ bởi JAEA để
đánh giá các thông số sóng âm cơ bản trong bê
tông khi bị thoái hóa nhiệt
Hình 1 Tường chắn sinh học trong lò phản ứng áp lực (Nguồn: Nuclear Engineering and Design 295
(2015) 534–548)
Bê tông là một hỗn hợp được nhào trộn từ xi măng, nước và cốt liệu gia cường (đá) theo một
tỷ lệ nhất định Xi măng hòa trộn với nước tạo
ra một loaị gel, trong đó thành phần chính là calcium-silicate-hydroxide (C-S-H) và portland-ite Ca(OH)2 Nước tồn tại trong bê tông ở nhiều dạng khác nhau, vì vậy tiếp xúc ở nhiệt độ cao gây
ra sự mất nước và bẽ gãy liên kết của nước trong gel tùy thuộc vào nhiệt độ tiếp xúc, ví dụ như:
- Mất nước tự do (free water) dưới 100oC
KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM
KIỂM TRA BÊ TÔNG KẾT CẤU BỊ ẢNH HƯỞNG BỞI NHIỆT ĐỘ CAO MÔ PHỎNG TAI NẠN NÓNG CHẢY LÕI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
Trang 2- Mất nước mao dẫn (capillary water) trong
khoảng 100oC – 500oC
- Phá hủy liên kết trong nước liên kết hóa học
(chemically bound water) trên 400oC
Cơ chế thoái hóa trên gây co ngót (shrinkage) ở
gel Bên cạnh đó, nhiệt độ cao cũng gây ra sự giãn
nở nhiệt ở một số loại đá (thông thường chiếm
khoảng 70% thể tích bê tông) Sự thay đổi thể tích
không đồng nhất ở gel và đá gây ra nhiều vết nứt
và làm giảm cơ tính bê tông
Phương pháp không phá hủy dựa trên sóng siêu
âm được sử dụng rộng rãi trong việc phát hiện
sự không liên tục và khuyết tật trong các loại vật
liệu khác nhau Sóng siêu âm truyền trong chất
rắn thường bao gồm ba thành phần: (1) sóng
dọc (longitudinal wave), trong đó hạt di chuyển
cùng với hướng truyền sóng; (2) sóng ngang
(shear wave), trong đó hạt di chuyển vuông góc
với hướng truyền; và (3) sóng bề mặt (thể hiện rõ
khi sóng truyền trong tấm mỏng) Sóng dọc được
ứng dụng rộng rãi trong kiểm tra sự thay đổi bên
trong vật liệu không có tính định hướng như
rỗ khí và không đồng nhất Trong khi đó, sóng
ngang rất nhạy cảm với khuyết tật có định hướng
như nứt Trong bê tông, nứt có thể xảy ra trong
gel, ở tiếp xúc gel/đá và nứt bề mặt Ứng dụng
sóng ngang trong kiểm tra siêu âm là rất hạn chế
vì trở ngại lớn nhất là xác định thời gian phát sinh
(rising time) bởi vì sóng dọc có tốc độ lan truyền
nhanh hơn nên tới đầu dò nhận (receiving
trans-ducer) sớm hơn gây ra sự chồng chéo tín hiệu ghi
nhận
Để đánh giá tính toàn vẹn, xác định thông số mô
đun đàn hồi tại hiện trường là rất quan trọng, tuy
nhiên cần xác định cả hai, vận tốc sóng dọc và
sóng ngang để tính toán theo công thức:
Trong đó: Ed là mô đun đàn hồi động, ρ là mật độ
bê tông,Vp là vận tốc sóng dọc, Vs là vận tốc sóng ngang và νd là hệ số poisson động Trong nghiên cứu này, biến đổi Hilbert (Hilbert transforma-tion) được sử dụng để chuyển đổi sóng thu nhận sang dạng đường bao (envelope), từ đó có thể xác định được sóng ngang
(nguồn ASTM C 597 và https://doi.org/10.1016/j.
cemconres.2009.05.003)
Các mẫu bê tông được trộn có thành phần tương
tự với bê tông sử dụng trong các nhà máy điện Fukushima daiichi, bao gồm 157 kg nước, 285
kg cát, 838 kg đá thô, 1% chất phụ gia và tỷ lệ nước/xi măng 0.55 Mẫu được đúc thành hình trụ (φ100 × 200 mm) và được giữ hydrat hóa trong
28 ngày Mẫu sau 28 ngày đạt cường độ nén trung bình khoảng 40 MPa Sau đó, mẫu được nung ở các nhiệt độ từ 105oC đến 800oC Thời gian và tốc
độ nung được tính toán để đảm bảo các quá trình thoái hóa được diễn ra đồng nhất tại các nhiệt độ khác nhau (như bảng 1)
Bảng 1 Chế độ xử lý nhiệt các mẫu bê tông
Sự thay đổi về màu sắc và xuất hiện nứt bề mặt thể hiện ở hình 2 Kiểm tra siêu âm sử dụng đầu
dò 100kHz truyền sóng trực tiếp được kết nối với thiết bị nhận xung OLYMPUS 5077PR và máy hiện sóng TEKTRONIX DPO2022B Thiết lập thử nghiệm thể hiện như hình 3 Tín hiệu trước và sau khi biến đổi Hilbert thể hiện như hình 4 Bên cạnh đó, sự chuyển pha trong gel (phase transfor-mation) được kiểm tra bằng phương pháp nhiễu
xạ tia X (XRD), cường độ nén, mất trọng lượng (weight loss) và thay đổi độ xốp (porosity) cũng
Trang 3được kiểm tra để tìm mối tương quan giữa thay
đổi trong bê tông với thông số sóng siêu âm
Hình 2 Sự thay đổi bề mặt sau khi nung ở các
nhiệt độ khác nhau
Hình 3 Thiết lập thử nghiệm để đo vận tốc truyền
sóng siêu âm
Hình 4 Sóng tiếp nhận tại đầu dò trước khi biến
đổi Hilbert (trái), sau khi biến đổi Hilbert (phải)
Tóm tắt kết quả nghiên cứu (tham chiếu hình 5
và 6):
+ Khi bê tông chịu nhiệt độ lên tới 800oC, sự
thoái hóa có thể chia thành 2 loại: suy thoái do
nước mất dưới 400oC và suy thoái do phân hủy
(decomposition) trên 400oC:
(1) Ở 105oC, do tiếp xúc nhiệt trong thời gian dài,
mô đun đàn hồi và vận tốc truyền âm giảm đáng
kể Cơ chế thoái hóa liên quan đến sự bay hơi của nước tự do Trong khoảng 105 và 400oC, mất nước mao dẫn gây sự suy giảm nhanh mô đun đàn hồi và vận tốc sóng âm
(2) Trên 400oC, sự phân hủy các pha trong gel (C-S-H và portlandite) diễn ra mạnh mẽ Các vết nứt
bề mặt hiện rõ sau 400oC do sự co giãn không đều giữa gel và đá, tuy nhiên sự suy giảm mô đun đàn hồi và tốc độ siêu âm giảm dần Từ 600oC đến 800oC, bê tông mất hơn 80% cường độ nén ban đầu, sự thay đổi mô đun đàn hồi và tốc độ siêu âm hầu như bão hòa Cấu trúc C-S-H trong gel có thể bị phân hủy đáng kể do sự biến đổi pha thành - C2S
+ Nghiên cứu này cho thấy phương pháp đo sóng siêu âm nhạy cảm với suy thoái do nhiệt ở bê tông, đặc biệt là do mất nước ở 105oC và sự phân hủy của portlandite từ 400 đến 600oC Sóng ngang hầu như suy giảm 100%, trong khi sóng dọc suy giảm trên 70% trên 400oC Mối tương quan giữa
mô đun đàn hồi động và mô đun đàn hồi tĩnh trong phạm vi chịu nhiệt từ 25 đến 400oC, tương ứng với phạm vi mô đun đàn hồi động từ 20-40 GPa cho thấy phạm vi ứng dụng sóng siêu âm để khảo sát tính toàn vẹn bê tông trong phạm vi này
Hình 5 Thay đổi sóng siêu âm (trái) và vận tốc truyền sóng P-wave (sóng dọc) và S-wave (sóng ngang) (phải) ở các nhiệt độ khác nhau
Hình 6 Mối tương quan giữa mô đun đàn hồi
Trang 4tĩnh xác định bằng phương pháp nén cơ học và
mô đun đàn hồi động xác định bằng phương
pháp sóng siêu âm
Thông tin chi tiết về nghiên cứu này có thể xem
thêm tại:
http://www.jsm.or.jp/ejam/Vol.11No.4/AA/
AA170/AA170.pdf
Nhut L.V., Kenta Murakami, et al., Applicability
of ultrasonic-wave based method for integrity
as-sessment of concrete severely damaged by heat,
E-Journal of Advanced Maintenance Vol.11 No
4 (2020) 163-171
Lưu Vũ Nhựt
Trung tâm NDE
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Y Le Pape, “Structural effects of
radiation-induced volumetric expansion on unreinforced
concrete biological shields,” Nucl Eng Des., vol
295, pp 534–548, 2015
[2] ASTM C597-16: Standard Test Method for
Pulse Velocity Trough Concrete (www.astm.org)
[3] R Birgül, “Hilbert transformation of
wave-forms to determine shear wave velocity in
con-crete,” Cem Concr Res., vol 39, no 8, pp 696–
700, 2009