Nghiên cứu xác định thời gian sử dụng ống địa kỹ thuật xây dựng đê trong môi trường nước đất khu vực thành phố Hồ Chí Minh

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 49 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THỜI GIAN SỬ DỤNG ỐNG ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐÊ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC ĐẤT KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH STUDY TO DETERMINE THE LIFE TIME OF GEOTUBE USED IN CONSTRUCTION OF DYKES IN SOIL AND WATER IN THE AREA OF HO CHI MINH CITY Vương Quang Việt, Nguyễn Thị Thơm Viện Nhiệt đới môi trường Tóm tắt: Dự báo tuổi thọ, thời gian làm việc của ống địa kỹ thuật xây dựng đê được các chuyên gia quan tâm nghiên cứu. 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. 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 và tiêu chuẩn hư hỏng mẫu được lựa chọn có tiêu biểu hay không. Bài viết trình bày kết quả dự báo tuổi thọ sử dụng của ống địa kỹ thuật theo phương pháp kết hợp thử nghiệm tự nhiên và gia tốc trong môi trường nước đất khu vực Thành phố Hồ Chí Minh. Từ khoá: Tuổi thọ, ống mềm. Abstract: Prediction of lifetime and durability of geotube used in construction of dykes has gained special attention from experts. That is the continuous time period from the point a dyke is constructed (geotube are impacted by the conditions and environment where they are in use) until hoses are considered damaged based on some standard. The accuracy of prediction depends on the prediction equation, whether it takes all effects of factors such as climate, weather, environment and condition of use, etc. into account, and whether the selected standard of damage is typical. This article presents results of geotube lifetime prediction based on a method where actual and accelerated tests were combined in soil and water in the area of Ho Chi Minh City. Keywords: Lifetime, geotube. 1. Giới thiệu Xây dựng đê bằng ống địa kỹ thuật nhồi cát là một giải pháp công trình hiệu quả, kinh tế để đối phó với biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Giải pháp này lại có ý nghĩa đặc biệt với nước ta - một trong những nước bị ảnh hưởng nặng nề nhất cộng với khó khăn về tài chính do việc “xây dựng đê theo phương pháp truyền thống đắt hơn nhiều so với xây dựng đê bằng ống địa kỹ thuật nhồi cát” [1]. Một trong những quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu là tuổi thọ của công trình. Trong giải pháp này, tuổi thọ phụ thuộc nhiều vào thời gian làm việc 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 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 [2]. Mục tiêu của nghiên cứu này là dự báo thời gian làm việc của đê thông qua tuổi thọ của ống địa kỹ thuật. Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu về tuổi thọ của ống bằng phương pháp kết hợp phơi mẫu ngoài hiện trường và gia tốc lão hóa nhiệt trong phòng thí nghiệm. 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Nguyên vật liệu - Vải polyester GM15 Hàn Quốc có các thông số chính sau: Trọng lượng: 500 g/m2; độ bền kéo đứt theo chiều dọc và ngang > 150 kN/m; độ dãn dài khi đứt theo chiều dọc và ngang < 15 %; hệ số thấm: 10-5 m/s; kích 50 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 thước lỗ O90: 0,075 mm; khổ rộng: 3,6 m; chiều dày: 2 mm. - Ống địa kỹ thuật đường kính 1 m, dài 50 m chế tạo từ GM15. - 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. - Ống địa kỹ thuật đường kính 1 m, dài 50 m chế tạo từ GM200. 2.2. Phương pháp nghiên cứu và thiết bị sử dụng 2.2.1. Tính chất cơ lý và gia tốc lão hóa nhiệt - Độ bền kéo đứt được đo trên máy kéo nén vạn năng theo tiêu chuẩn ASTM- D861. - Thử nghiệm gia tốc quá trình lão hóa với hệ thống tủ khí hậu nhân tạo theo ASTM - D 794. 2.2.2. Phơi mẫu hiện trường và lấy mẫu Đê thử nghiệm được xây dựng bằng các ống địa kỹ thuật nhồi cát có chiều dài 100 m, cao 1,6 m tại bờ hữu sông Sài Gòn thuộc phường Thạnh Lộc, quận 12, Thành phố Hồ Chí Minh từ tháng 07 năm 2011 [3]. Sau 1.800 ngày tức 43.800 giờ chúng tôi tiến hành lấy mẫu vật liệu ống (phần trên không tiếp xúc trực tiếp với nước) từ Thạnh Lộc về phòng thí nghiệm để thử gia tốc lão hóa ở môi trường không khí với nhiệt độ 145 oC đến khi độ bền kéo đứt giảm 25 %, gọi thời gian này là t2. Tiến hành xác định thời gian sấy T2 ở 145 oC để độ bền kéo đứt của ống địa kỹ thuật mới (chưa nhồi cát) giảm 25 % (hình 1). Chúng tôi cũng tiến hành phơi mẫu vật liệu ống địa kỹ thuật chế tạo từ GM200 tại Khu chế xuất (KCX) Tân Thuận từ tháng 02 năm 2014 [4]. Sau 510 ngày tức 12.240 giờ chúng tôi tiến hành lấy mẫu vật liệu ống (phần trên không tiếp xúc trực tiếp với nước) từ KCX Tân Thuận về phòng thí nghiệm để thử gia tốc lão hóa ở môi trường không khí với nhiệt độ 145 oC đến khi độ bền kéo đứt giảm 25 %, gọi thời gian này là t2. Tiến hành xác định thời gian sấy T2 ở 145 oC để độ bền kéo đứt của ống địa kỹ thuật mới (chưa nhồi cát) giảm 25 % (hình 2). Mẫu khảo sát được chuẩn bị theo tiêu chuẩn ASTM-D861 từ ống địa kỹ thuật chưa bơm cát và từ ống địa kỹ thuật xây dựng đê thử nghiệm tại phường Thạnh Lộc và KCX Tân Thuận. Hình 1. Đê thử nghiệm tại phường Thạnh Lộc, quận 12. Hình 2. Thu hồi mẫu thử vào ngày xây dựng đê thử nghiệm tại KCX Tân Thuận, quận 7. Phương pháp tính tuổi thọ theo mô hình kết hợp [5]. Trong phương pháp này quan hệ giữa các đại lượng được thể hiện theo công thức sau: t1 T1 + t2 T2 = 1 (1) Trong đó: T1: Thời hạn sử dụng; t1: Thời gian thử mẫu ngoài thực địa; t2: Thời gian sấy ở nhiệt độ thử gia tốc mà độ bền kéo đứt giảm 25 %; T2: Thời gian sấy ở nhiệt độ thử gia tốc mà độ bền kéo đứt của mẫu so sánh (mẫu mới) giảm 25 %. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Xác định thời gian khi độ bền kéo đứt giảm 25 % Kết quả thử nghiệm mẫu từ phường Thạnh Lộc và mẫu từ KCX Tân Thuận trình bày trong hình 3 và hình 4. Trong đó: tt: Thời gian gia nhiệt mẫu ở nhiệt độ 145 oC trong môi trường không khí (giờ); ft: Độ bền kéo đứt mẫu tương ứng với điều kiện thử nghiệm (kN/m); %ft: Tỷ lệ độ bền kéo đứt mẫu tương ứng với điều kiện thử nghiệm (%); Ft: Độ bền kéo đứt mẫu mới tương ứng với điều kiện thử nghiệm (kN/m); TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 51 %Ft: Tỷ lệ độ bền kéo đứt mẫu mới tương ứng với điều kiện thử nghiệm (%). Kết quả thử nghiệm là giá trị thống kê kết quả của 3 mẫu lấy từ 3 vị trí ngẫu nhiên ở hai đầu và giữa đê thử nghiệm. Hình 3. Kết quả thử nghiệm lão hóa mẫu tại phường Thạnh Lộc. Hình 4. Kết quả thử nghiệm lão hóa mẫu tại KCX Tân Thuận. Hình 3 và hình 4 cho thấy theo thời gian cường độ chịu kéo và tỷ lệ độ bền kéo đứt giảm dần. Thời gian làm giảm cường độ lực kéo đứt mẫu ở Thạnh Lộc: t2 (ứng với % ft) và T2 (ứng với %Ft) là 168 và 204 giờ (hình 3). Thời gian làm giảm cường độ lực kéo đứt mẫu ở KCX Tân Thuận t2 (ứng với % ft) và T2 (ứng với % Ft) là 204 và 216 giờ (hình 4). Thực nghiệm cũng chỉ ra những đường đặc tính của các mẫu tại phường Thạnh Lộc (hình 3) có độ dốc tương đương so với đường đặc tính của mẫu ở KCX Tân Thuận (hình 4). 3.2. Xác định thời hạn sử dụng Để hạn chế những nhược điểm của các phương pháp thử nghiệm gia tốc và thử nghiệm trong môi trường tự nhiên người ta sử dụng phương pháp kết hợp cả hai loại thử nghiệm tự nhiên và gia tốc. Phương pháp này còn được gọi là phương pháp thử nghiệm mô hình kết hợp [5, 6]. Nó kết hợp được ưu điểm của cả thử nghiệm tự nhiên và thử nghiệm gia tốc: Xác định nhanh và đề cập tới các yếu tố tác động của điều kiện sử dụng trên thực địa. Từ kết quả xác định thời gian khi độ bền kéo đứt giảm 25 % (mục 3.1). Kết quả thử nghiệm và tính toán tuổi thọ của vật liệu trình bày trong bảng 1, trong đó tuổi thọ hay độ bền của vật liệu được tính theo công thức (1). Từ thử nghiệm thực tế và kết quả tính toán T1t và T1k ta thấy tuổi thọ vật liệu ống địa kỹ thuật GM15 và GM200 dùng làm đê trong điều kiện làm việc ở môi trường khô (không tiếp xúc trực tiếp thường xuyên với nước) là tương đương. Đây là kết quả hợp lý vì chúng có bản chất hóa học như nhau. Bảng 1. Kết quả thực nghiệm về dự tính tuổi thọ của vật liệu. t1 (giờ) t2 (giờ) ~ %f T2 (giờ ) ~ %F T1 (giờ) T1 (năm) Mẫu vật liệu tại KCX Tân Thuận TB 12.240 204 216 220.320 25,2 Sai số - ± 7,8 ± 2,4 ± 3102 ± 0,4 Mẫu vật liệu tại phường Thạnh Lộc TB 43.800 168 204 24.8200 28,3 Sai số - ± 9,5 ± 11,5 ± 7305 ± 0,7 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 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 [7], các công trình tại Việt Nam được yêu cầu (không chính thức) là trên 20 năm. Kết quả tính toán tuổi thọ hay độ bền vật liệu T1 (năm) của hai mẫu từ các số liệu thực nghiệm cho ta thấy việc lựa chọn và sử dụng vải polyeste để chế tạo ống địa kỹ thuật làm đê là thích hợp trong điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng tại Thành phố Hồ Chí Minh cũng như khu vực phía Nam. Các số liệu T1 cũng phù hợp với các số liệu theo dõi thực tế của các nhà khoa học Hà Lan công bố [1, 8]. 52 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 Điều kiện thử nghiệm gia tốc gần với thực tế do sử dụng môi trường tự nhiên tương tự như môi trường vật liệu làm việc. Căn cứ theo diễn biến chất lượng môi trường nước lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai [9] cho phép đánh giá khả năng làm việc, độ bền của ống địa kỹ thuật chế tạo từ vật liệu polyeste GM15 và GM200 có tuổi thọ tới khoảng 25 năm đáp ứng được yêu cầu về tuổi thọ của vật liệu chế tạo đê (trên 20 năm). Lời cảm ơn Chân thành cám ơn Sở Khoa học công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, Uỷ ban Nhân dân phường Thạnh Lộc, quận 12, Ban giám đốc KCX Tân Thuận đã tạo điều kiện thuận lợi để thực hiện nội dung ứng dụng. Nghiên cứu được tài trợ bởi Chương trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ vật liệu mới mã số KC.02  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] Nguyễn Thành Nhân và Trịnh Công Vấn (2012), Nghiên cứu công nghệ chế tạo tổ hợp vật liệu dệt-polyme để xây dựng đê, Đề tài cấp Sở KHCN Tp. HCM. [4] Vương Quang Việt và cộng sự (2015), Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và ứng dụng công nghệ ống mềm trên cơ sở tổng hợp vật liệu dệt - polyme để xây dựng kết cấu bảo vệ các công trình kinh tế, quốc phòng, mã số KC02.13/11-15. [5] Andrzej Baranski (1980), Chemia fizyczna, PWN, Warszawa. [6] Hodge, J., “Durability testing”, Geotextile Testing and Design Engineer, ASTM STP 952, J E. Fluet, Jr., Ed., American Society for testing and Materials, Philadelphia, 1987, pp. 119-121. [7] Corbet S., and King J., (1993), Geotextiles in filtration and drainage, Thomas Telford Service Ltd., London. [8] PhanTrường Phiệt (2007), Sản phẩm địa kỹ thuật polyme và composit trong xây dựng dân dụng giao thông thủy lợi, NXB Xây dựng, Hà Nội. [9] Sở Tài Nguyên và Môi trường (2008), Báo cáo hiện trạng môi trường thành phố Hồ Chí Minh năm 2007, Chi cục BVMT Tp. Hồ Chí Minh. Ngày nhận bài: 01/03/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 25/03/2016 Ngày chấp nhận đăng: 28/03/2016