Thiết kế, chế tạo ống mềm từ vải polyeste và blend NBR-PVC để xây dựng kết cấu bảo vệ các công trình kinh tế, quốc phòng - Nguyễn Quang Việt

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 213 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ỐNG MỀM TỪ VẢI POLYESTE VÀ BLEND NBR-PVC ĐỂ XÂY DỰNG KẾT CẤU BẢO VỆ CÁC CÔNG TRÌNH KINH TẾ, QUỐC PHÒNG Vương Quang Việt1*, Nguyễn Thế Tiến1, Trần Đức Đạt2, Nguyễn Hoàng Anh Dũng3, Nguyễn Thị Kim Yến1 Tóm tắt: Việt Nam có bờ biển dài trên 3.260 km và một hệ thống sông rạch chằng chịt, vì vậy xói lở bờ sông, biển đang là vấn đề gây bức xúc lớn cho xã hội. Các hiện tượng thời tiết khí hậu cực đoan càng làm cho vấn đề này diễn tiến hết sức phức tạp - mực nước biển dâng cao gây nên các đợt triều cường phá hủy các công trình dân sinh, quốc phòng. Nhiều nghiên cứu được tiến hành trên thế giới nhằm tìm ra các giải pháp bảo vệ bờ sông, biển đạt hiệu quả cao, giảm giá thành xây dựng, đơn giản trong thi công và thân thiện với môi trường. Bài báo trình bày một số kết quả trong thiết kế, chế tạo Ống mềm sử dụng trong công nghệ bảo vệ mềm, đây là giải pháp bảo vệ bờ có nhiều ưu điểm và đang nhận được sự quan tâm. Đây cũng là một trong số các nội dung của đề tài có mã số KC.02.13/11-15. Từ khóa: Ống mềm, Vật liệu dệt-polyme. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các giải pháp công trình nhằm thích ứng, giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đang rất được quan tâm. Nhiều giải pháp công nghệ được áp dụng như: kè bờ bằng đá hộc, kè bờ bằng tường cừ, các thảm bê tông, các khối dị hình Tuy nhiên các phương án này không thu được hiệu quả như mong muốn, không những thế đôi khi còn làm thay đổi tính chất của đường bờ và tình trạng bồi xói của các khu vực lân cận. Thời gian gần đây các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu và đưa ra một công nghệ bảo vệ bờ mới – “Công nghệ đê mềm”. Công nghệ này không những bảo vệ được bờ tránh xói lở mà còn làm bồi đắp bền vững và thân thiện với môi trường. Ngoài ra công nghệ này còn được sử dụng để xây dựng các đảo nhân tạo rất hiệu quả và nhanh chóng. Do chi phí đặc biệt thấp, thời gian thi công nhanh so với các công nghệ trước đây khi sử dụng các vật liệu truyền thống như: bê tông, sắt thép, công nghệ ống mềm nhồi cát rất có ý nghĩa với điều kiện kinh tế xã hội của nước ta. 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu nghiên cứu Căn cứ yêu cầu về tính năng cơ, lý, hóa cũng như giá thành sản phẩm, chúng tôi đã sử dụng các vật liệu chính sau đây để nghiên cứu: - Keo dán KDOM được chế tạo tại Viện nhiệt đới môi trường. Keo KDOM là chất kết dính trên trên cơ sở blend của cao su nitril butadien và nhựa Hóa học và Kỹ thuật môi trường V.Q.Việt, N.T. Tiến, ,“Thiết kế, chế tạo ống mềm từ vải kinh tế, quốc phòng.” 214 polyvinylcloride (NBR-PVC) và các phụ gia có độ bền kéo đứt 19,2 ± 1,8 MPa theo TCVN 4509-2006; độ dãn dài khi đứt 380 ± 28 % theo TCVN 4509-2006, và có hệ số già hóa lần lượt trong môi trường nước muối 5 %, trong không khí, cũng như sau 500 giờ chiếu UV đều vượt 80 %. - Primer OM được chế tạo trên cơ sở polybutylacrylat (PBA) và nhựa phenolformaldehyd (PF) tại Viện nhiệt đới môi trường. Priner OM có thành phần khối lượng Toluen: MEK: PF: PBA lần lượt theo tỷ lệ tương ứng 32:63:3,5:1,5. - Vải polyester GM 200 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. - Chỉ polyester số 10, cường lực 8,588 kN, độ dãn khi đứt 22 %, xuất xứ Đài Loan được sang con chỉ tại Công ty Bình Hưng Việt, Hóc Môn, Tp. Hồ Chí Minh - Các hóa chất khác có nguồn gốc từ Bayer hoặc Formosa, LG, Dupont dow 2.2. Phương pháp nghiên cứu và thiết bị sử dụng Blend NBR-PVC được chế tạo trong máy trộn kín, hở rồi hòa tan thành dung dịch keo dán. Tính chất cơ, lý, hóa của vật liệu được xác định theo các tiêu chuẩn của Việt Nam hoặc Quốc tế trên các thiết bị tương ứng sau: - Xác định tính chất cơ lý bằng máy Zwick 1445, Germany: Độ bền kéo bóc xác định theo TCVN 1596: 2006 (ISO 36: 2005); Độ bền kéo trượt phỏng theo tiêu chuẩn TCVN 7755: 2007 (ASTM D – 905) - Xác định thông số lưu hóa bằng máy Rheometer GT-M2000, Đài Loan, theo TCVN 6094: 2004 - Xác định độ cứng bằng Shore Durometer, theo TCVN 1595-1-2007. - Máy cán luyện kín benbery, thể tích buồng máy 70 lít; Máy cán 2 trục khổ 1,6 m của Việt Nam - Máy ép lưu hóa của Việt Nam, lực ép max 60 tấn, công suất gia nhiệt 6 kW - Máy may tấm dầy chuyên dùng Taking TK-98 của Đài loan, băng rộng 0,8 m - Độ bền môi trường của vật liệu theo tiêu chuẩn TCVN 2229-2007 trong môi trường không khí và trong môi trường nước muối bằng hệ thống tủ khí hậu nhân tạo - Độ bền chịu UV sau 500 giờ theo ASTM D 4355-92 trên thiết bị Solarbox 3000, Italia. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Thiết kế ống mềm Nguyên tắc tính toán ống mềm là dựa trên nguyên lý cân bằng của vỏ ống mềm để xác định sức căng tại đó [1], [2], [3], [4]. Để đơn giản hoá cho việc tính toán ta xét bài toán trong mặt phẳng với những giả thiết sau: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 215 - Ống nhồi cát dài và đồng nhất về hình học lẫn vật liệu. Ống chịu các lực gần bằng nhau theo chiều dài ống vì thế nói một cách gần đúng coi nội lực ống theo chiều dài bằng không. - Ống được chế tạo từ một loại vật liệu mềm chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với chiều rộng và chiều dài vì thế ta có thể coi nội lực ống chỉ tồn tại duy nhất lực kéo và bằng nhau mọi điểm trên chu vi ống. Khi đó ta chỉ cần xác định lực căng ống nhồi cát trên tiết diện cắt ngang. - Vật liệu lấp đầy là hỗn hợp lỏng (nước và cát), cân bằng thủy tĩnh của ứng suất chỉ có bên trong ống. - Không có lực trượt giữa hỗn hợp lỏng và thành ống. Điều kiện để ống ở trạng thái cân bằng là tổng hình chiếu các lực tác dụng lên nó theo mọi phương đều bằng không. Từ điều kiện cân bằng này xét theo phương nằm ngang và với các giả thiết trên ta có : (1) Trong đó: T - Lực căng ống Px - Thành phần áp lực của hỗn hợp lỏng theo phương nằm ngang tác dụng lên mặt trong của ống. Khi ống được bơm căng bằng hỗn hợp lỏng với chiều cao là HO thì áp lực bên trong ống là (H0. γ). Trong đó γ : là tỷ trọng của hỗn hợp lỏng. Thành phần theo phương nằm ngang của áp suất hỗn hợp lỏng dPx tác dụng lên một đơn vị bề mặt phía trong ống theo phương nằm ngang tại một điểm bất kỳ cách đáy ống một khoảng là h được tính theo công thức: (2) Như vậy, thành phần theo phương nằm ngang PX của áp lực trong túi (do hỗn hợp lỏng gây nên) sẽ có giá trị: (3) Suy ra : (4) Đối với hỗn hợp (nước và cát) bơm vào có γ  1,6 kg/cm3 với ống có đường kính là d = 1 m khi đó ta coi HO ≈ d =1 m. Sức căng của ống T = 1600 kg/m3 x 1 m2 : 4 = 400 kg/m ≈ 4 kN/m Khi bơm với áp lực 10 kN/m2 thì ống phải có sức căng là : Tb = 4 kN/m + 10 kN/m 2 . Chu vi = (4 + 31,4) kN/m = 35,4 kN/m. Thông thường sau khi bơm xong cát ống có chiều cao khoảng 0,6 ÷ 0,8 so với đường kính thiết kế. Khi đó ống phải chịu một sức căng lớn nhất (ứng với ho = 0,8, γ  2,4 kg/cm3) là: Để đảm bảo an toàn cho công trình, các nhà thiết kế đều chọn hệ số an toàn cho ống mềm. Trên cơ sở tài liệu, cũng như phân tích tình trạng thực tế ở nước ta chúng tôi chọn hệ số giảm trừ độ bền R= 8,5 [5]. Nó bao gồm : Hệ số giảm trừ độ Hóa học và Kỹ thuật môi trường V.Q.Việt, N.T. Tiến, ,“Thiết kế, chế tạo ống mềm từ vải kinh tế, quốc phòng.” 216 bền khi lắp đặt, lão hóa vật liệu, do nền công trình, mối nối. Khi đó sức căng tới hạn của ống là: Tult = TWork x R = 3,84 x 8,5 = 32,64 kN/m Trong đó : Tult : Sức căng giới hạn của ống TWork : Sức căng tính toán của ống Như vậy, khi biết kích thước ống mềm (chu vi), hỗn hợp chất lỏng nhồi (γ) cũng như áp lực bơm ta sẽ tính được sức căng mà ống phải chịu trong quá trình nhồi Tb, sức căng giới hạn của ống Tult. Trên cơ sở đó ta sẽ chọn vật liệu cũng như công nghệ thích hợp để chế tạo ống mềm. Chúng tôi cũng sử dụng phần mềm GeOCoP(3.0) của Hiệp hội kỹ sư quân đội Mỹ để tính toán kiểm chứng [6], kết quả cũng phù hợp với những tính toán theo lý thuyết đã trình bày ở trên. Từ kết quả tính toán trên cho thấy việc chọn vải GM 200 để chế tạo ống mềm chu vi 3,14 m dài 50 m nhồi cát đến chiều cao 0,8 m bằng bơm hỗn hợp cát và nước ở áp lực từ 10 đến 50 kPa là phù hợp với hệ số an toàn cao [7]. Ống mềm này xếp chồng 3 lớp lên nhau để xây dựng đê cao 2 m (kể cả lớp đất phủ 20 cm) dài 500 m trong khuôn khổ nghiên cứu của đề tài KC.02.13/11-15. Sơ đồ mặt cắt cơ bản thiết kế và cảnh quan công trình trong hình 1. Hình 1. Mặt cắt cơ bản thiết kế và cảnh quan công trình. Trong thiết kế công trình tại Quận 7 thành phố Hồ Chí Minh, hàng cây Bần bên ngoài đê được tôn tạo và trồng bổ sung chạy theo mép nước có tác dụng hạn chế sóng tàu, chống xói lở và tạo cảnh quan dọc sông Sài Gòn. 3.2. Chế tạo ống mềm Chế tạo ống mềm là một trong những công đoạn phức tạp của công nghệ chế tạo đê bằng ống nhồi cát. Phương pháp định hình khi chế tạo ống mềm ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cũng như thời gian hoàn thành công trình. Việc lựa chọn phương pháp gia công có ý nghĩa quyết định đến chất lượng và tuổi thọ công trình. Có nhiều phương pháp định hình ống, nhưng quan trọng nhất có thể liệt kê ra là: - Định hình ống bằng phương pháp may; - Định hình ống bằng keo dán; - Phương pháp kết hợp của 2 phương pháp trên. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 217 3.2.1. Định hình ống mềm bằng keo dán Vải GM 200 được tẩm primer OM rộng bằng chiều rộng mối dán, để khô tự nhiên 48 giờ. Tráng tiếp keo dán KDOM để đạt chiều dày 0,2 - 0,4mm. Sau khi khô mặt (khoảng 10 phút) thì dán 2 mặt có tráng keo với các chiều rộng mối dán thay đổi. Tiến hành ép lưu hóa ở nhiệt độ 145 0C trong vòng 10 phút. Sau khi ép xong để nguội 24 giờ thì tiến hành đo đạc. Độ bền mối dán được khảo sát theo tiêu chuẩn ASTM D 4884. Kết quả khảo sát tương quan giữa chiều rộng mối dán (cm) và độ bền kéo trượt (kN/cm) trình bày trong bảng 1 và thể hiện trong hình 2. Bảng 1. Kết quả khảo sát tương quan giữa chiều rộng mối dán và độ bền kéo trượt. Chiều rộng mối dán (cm) 10 12 1 4 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Độ bền (kN/m ) 46, 7 53 ,7 6 0, 1 67, 0 74, 6 80, 4 87, 1 95, 2 10 2 10 9 11 5 12 4 12 9 13 5 14 2 15 1 Sai số ±1, 2 ±1, 1 ±0 ,9 ±1, 4 ±2, 3 ±1, 9 ±1, 9 ±2, 2 ±1, 0 ±2, 7 ±2, 2 ±3, 1 ±2, 0 ±0, 9 ±1, 8 ±0, 9 Hình 2. Biến thiên độ bền kéo trượt theo chiều rộng mối dán. Hình 3. Biến thiên độ bền mối nối theo số đường may. Độ bền mối dán tăng theo chiều rộng mối dán khi sử dụng keo KDOM để định hình. Kết quả khảo sát cho ta thấy để đạt độ bền mối nối theo tiêu chuẩn ASTM D 4759 thì chiều rộng mối dán khi sử dụng keo KDOM phải lớn hơn 12 cm. Còn muốn mối nối có độ bền 160 kN/m (80 % độ bền của vải GM 200) thì mối dán phải có bản rộng hơn 40 cm. Để giảm chiều rộng cũng như tăng độ an toàn cho mối nối, chúng tôi tiến hành nghiên cứu định hình bằng kết hợp keo dán với may gia cường. 3.2.2. Định hình ống mềm bằng keo dán kết hợp may Hóa học và Kỹ thuật môi trường V.Q.Việt, N.T. Tiến, ,“Thiết kế, chế tạo ống mềm từ vải kinh tế, quốc phòng.” 218 Chế tạo mẫu: Vải GM 200 được tẩm primer OM rộng 20 cm, để khô tự nhiên 48 giờ. Tráng tiếp dung keo KDOM để đạt chiều dày 0,2 - 0,4mm. Sau khi khô mặt (khoảng 10 phút) thì dán 2 mặt có tráng keo với bản rộng mối dán là 20 cm. Tiến hành ép lưu hóa ở nhiệt độ 145 0C trong vòng 10 phút. Sau khi ép xong để nguội 24 giờ thì tiến hành may gia cường, sau khi may xong phủ lên đường may một lớp keo để khô tự nhiên rồi tiến hành đo đạc. Khảo sát độ bền mối nối: độ bền mối nối (bản rộng 20 cm) được khảo sát theo tiêu chuẩn ASTM D 4884 đạt 80,4 kN/m. Kết quả độ bền mối nối bản rộng 20 cm sử dụng keo và được gia cường các đường may trình bày trong bảng 2 và thể hiện bằng đồ thị hình 3. Bảng 2. Kết quả khảo sát tương quan giữa độ bền mối nối và số đường may. Số đường may 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Độ bền (kN/m) 80, 2 94, 1 106 115 126 135 133 162 171 178 183 189 194 199 Sai số ±1, 2 ±1, 8 ±1, 0 ±1, 8 ±1, 8 ±1, 7 ±2, 1 ±0, 7 ±1, 4 ±1, 7 ±1, 5 ±1, 2 ±0, 6 ±0, 9 Từ các khảo sát trên ta thấy mối dán bản rộng 20 cm sử dụng primer OM và keo dán KDOM được gia cường 7 đường may đáp ứng yêu cầu chế tạo ống mềm từ vải GM 200 (độ bền 162 kN/m). 4. KẾT LUẬN Đã thiết kế ống mềm chu vi 3,14 m, dài 50 m nhồi cát đạt chiều cao đến 0,8 m bằng cách bơm hỗn hợp cát và nước với áp lực từ 10 đến 50 kPa. Phương pháp tính toán có độ tin cậy cao và được kiểm chứng bằng phần mềm GeoP(3.0). Đã nghiên cứu phương pháp chế tạo ống mềm từ vải GM 200 bằng cách sử dụng primer OM và keo dán KDOM kết hợp gia cường 7 đường may đáp ứng yêu cầu chế tạo ống mềm theo tiêu chuẩn ASTM D 4759. Viện Nhiệt đới môi trường đã ứng dụng thiết kế và công nghệ này chế tạo 3.000 m ống mềm và thi công 500 m đê thử nghiệm trên sông Sài Gòn gần khu vực cầu Phú Mỹ, quận 7, Tp. Hồ Chí Minh. Các kết quả nghiên cứu trên mở ra khả năng làm chủ công nghệ xây dựng đê bằng ống nhồi cát. Đây là công nghệ bảo vệ bờ có nhiều ưu điểm thích hợp cho nước ta để ứng phó với biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Lời cảm ơn: Nghiên cứu được thực hiện với sự hỗ trợ của Bộ Khoa học Công nghệ thông qua Chương trình nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ vật liệu mới KC.02/11-15. TÀI LIỆU THAM KHẢO Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 219 [1]. Krystian W. Pilarczyk (1998), “Dikes and Revetments: Design, Maintenance and Safety Assessment”, Publisher A. A. Balkema, Rotterdam. [2]. Krystian W. Pilarczyk (2000), “Geosynthetics and Geosystems in Hydraulic and Coastal Engineering”, Taylor & Francis. [3]. Lê Mạnh Hùng (2003), “Đập cao su”, NXB Nông nghiệp. [4]. K&O (1999), “Shore and bank protection works in practice and theory”, Rotterdam. [5]. Herman Jacobus Kriel (2012), “Hydraulic stability of multi-layered sand-filled geotextile tube breakwaters under wave attack”, Port and Coastal Engineering, Civil Engineering - Stellenbosch University. [6]. Leshchinsky D., Leshchinsky O., Ling H. I., and Gibert P. A., “Geosynthetic Tubes for Confining Pressurized Slurry: Some Design Aspects”, Jurnal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 122, No. 8, 1996, pp. 682-690. [7]. Đinh Quang Cường và Dương Thanh Quỳnh (2015), “Các vấn đề kỹ thuật cần quan tâm khi sử dụng ống mềm bằng vải địa kỹ thuật để xây dựng các công trình ven biển”, Báo cáo chuyên đề của đề tài mã số KC.02.13/11-15, Viện Công trình biển, ĐH Xây dựng (UCE), Hà Nội. ABSTRACT DESIGN AND MANUFACTURE OF FLEXIBLE HOSES FROM POLYESTER TEXTILE AND BLEND OF NBR-PVC FOR BUILDING PROTECTIVE STRUCTURES FOR ECONOMIC AND DEFENSE WORKS Erosion of river banks and sea shores is an urgent matter that Vietnam is facing with as it has a more than 3,260 km coastline and a system of interlacing rivers and canals. Extreme climate and weather phenomena make it more and more complicated, particularly when higher sea levels are causative of flood tides that can destroy civil and defense works. Many researches have been conducted in the world, seeking effective and eco- friendly protection of river banks and sea shores with reduced costs and simplicity of construction. This article presents some results from the design and manufacture of flexible hoses to be employed in the flexible protection technology, which, thanks to its various advantages, has been paid many interests. That is also one of the contents of Project KC.02.13/11-15. Keywords: Flexible Hose, Polymer - Textile combination. Nhận bài ngày 07 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 29 tháng 7 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1Viện Nhiệt đới môi trường; 2 TT Nghiên cứu và Chuyển giao công nghệ - Sở KH&CN Tp. HCM; 3 Trung tâm Chống ngập nước Tp. Hồ Chí Minh; *Email: vuonghathu87@gmail.com