Phương pháp nhiệt vi sai xác định tuổi thọ của ống địa kỹ thuật xây dựng đê

TẠP 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 42 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 (oC/phút) Logv Nhiệt độ phân hủy (oC) Nhiệt độ phân hủy (oK) 1000/T 2,5 0,3979 385 658 1,5189 5 0,6990 404 677 1,4771 7,5 0,8751 408 681 1,4684 10 1,0000 413 686 1,4578 Xây dựng giản đồ Arrhenius - tương quan logv = f(1000/T) trình bày trong hình 2. Hình 2. Giản đồ Arrhenius. Đường hồi 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) ∆( 1 T ) = 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). TẠP 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 (oC) T (oK) Logt t (phút) t (năm) 120 393 10,5240 3,341950.1010 63.584 140 413 9,3634 2,308872.109 4.393 160 433 8,3100 204,174.106 388,5 180 453 7,3500 22,38721.106 42,59 200 473 6,7704 5,893862.106 11,2 240 513 4,9177 82,737.103 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 250Th ờ i g ia n c h ịu n h iệ t (n ăm ) Nhiệt độ (oC)