Đang tải... (xem toàn văn)
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.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG 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 vật liệu chế tạo ống địa kỹ thuật định thời gian làm việc đê xây dựng ống địa kỹ thuật nhồi cát Độ xác phép dự báo phụ thuộc vào phương trình dự báo có phản ánh đầy đủ yếu tố khí hậu, thời tiết, môi trường, điều kiện sử dụng tác động lên ống địa kỹ thuật tiêu chuẩn hư hỏng mẫu lựa chọn có tiêu biểu hay khơng Việc gia tốc q trình lão hóa cho phép đánh giá nhanh trình phá hủy vật liệu Bài viết trình bày kết dự báo tuổi thọ sử dụng 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 Giới thiệu Vật liệu dệt polyeste (PES) thường dùng chế tạo ống địa kỹ thuật nhồi cát xây dựng đê số ưu điểm vượt trội độ bền học cao, chịu nhiệt, kháng UV, khó bị thủy phân nước, Tuổi thọ đê phụ thuộc vào tuổi thọ ống địa kỹ thuật xây dựng đê - khoảng thời gian liên tục tính từ đê xây dựng (ống địa kỹ thuật chịu tác động điều kiện sử dụng môi trường sử dụng) bị hư hỏng theo tiêu chuẩn Phương pháp xác định thời gian làm việc tốt phơi mẫu trường nhiên tiêu tốn nhiều thời gian Vì cần đến phương pháp gia tốc q trình lão hóa phiên Độ xác phép dự báo phụ thuộc vào phương trình dự báo có phản ánh đầy đủ yếu tố khí hậu, thời tiết, mơi trường, điều kiện sử dụng tác động lên ống địa kỹ thuật tiêu chuẩn hư hỏng mẫu lựa chọn có tiêu biểu hay khơng [1, 2] Mục tiêu nghiên cứu sử dụng phương pháp nhiệt vi sai dự báo thời gian tuổi thọ vật liệu chế tạo ống địa kỹ thuật Bài báo trình bày số kết nghiên cứu tuổi thọ vật liệu dệt PES làm ống địa kỹ thuật – phương pháp nhiệt vi sai (DTA) Phương pháp nghiên cứu 2.1 Nguyên vật liệu Vải polyester GM200 Hàn Quốc có thơng số sau: Trọng lượng: 600 g/m2; độ bền kéo đứt theo chiều dọc ngang: > 200 kN/m; độ dãn dài đứt theo chiều dọc ngang < 15 %; hệ số thấm: 10-5 m/s; kích thước lỗ O90: 0,075 mm; khổ rộng: 3,6 m; chiều dày: mm 2.2 Phương pháp nghiên cứu Phân tích nhiệt vi sai thiết bị: Netzsch STA 409 PC với detector DTG-60; Chế độ: Mơi trường phân tích khí argon, thực với chế độ gia nhiệt: 2,5; 5,0; 7,5; 10,0 oC/phút 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 vật liệu từ số liệu phân hủy trọng lượng nhiệt theo ASTM: E1877 - 15 [4] Kết 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 phân tích DTA mơi trường argon với tốc độ gia nhiệt khác trình bày giản đồ hình Xác định lượng hoạt hóa trình theo ASTM: E1877-15 Phương trình lượng có dạng: R E = b.a 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= Hình Giản đồ DTA mẫu vật liệu GM200 mơi trường argon Từ kết phân tích DTA, chọn mức độ phân hủy 10 % để tính toán với tốc độ gia nhiệt v tương ứng 2,5; 5,0; 7,5; 10,0 o C/phút Xác định nhiệt độ giảm khối lượng tương ứng Kết trình bày bảng Bảng Giá trị logv nhiệt độ Tốc độ Logv Nhiệt Nhiệt gia nhiệt độ độ v phân phân (oC/phút) hủy hủy (oC) (oK) 2,5 0,3979 385 658 0,6990 404 677 7,5 0,8751 408 681 10 1,0000 413 686 1000/T Xây dựng giản đồ Arrhenius - tương quan logv = f(1000/T) trình bày hình ∆(logv) T ∆( ) = 10.000; b từ bảng cho trước lần đầu lấy giá trị b = 0,4570 Thay vào tính: 8,314 E = 0,457 10.000 = 181.926 J/mol Tính lặp lại: E 191.926 = 8,314x677 = 32,3218 RT tra bảng b = 0,461 Tính lại E: 8,314 E = 0,461 10.000 = 180.347 J/mol Kết cho chênh lệch nhỏ % Chấp nhận kết này: E=180.347 (J/mol); E 1,5189 1,4771 1,4684 1,4578 (2) RT = 32,3218; B = 0,461 nhiệt độ 404 oC hay 677 oK 3.2 Xây dựng giản đồ chịu nhiệt vật liệu Giản đồ chịu nhiệt vật liệu ống địa kỹ thuật xây dựng theo ASTM: E187715 Phương trình chịu nhiệt vật liệu có dạng: E E log[t] = (2,303.R.T) + log Rv − a (3) 𝐸 Với 𝑅𝑇 = 32,3218 nằm 32 33, tra bảng lấy giá trị gần đúng: a=17,0802; v = oC/phút; thay giá trị vào phương trình (3) ta có: Hình Giản đồ Arrhenius Đường hồi quy tuyến tính giản đồ có dạng: logv = −10.000 T + 15,5500 (1) logt = 9419 T − 13,4429 (4) Trong đó: t tính phút; Hệ số chuyển đổi sang năm (t/60.24.365) = t(1,9026.10-6) (năm) TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 Kết tính với dải nhiệt độ khác nhau, chuyển đổi thời gian năm bảng trình bày hình với trục logarit thời gian Thời gian chịu nhiệt (năm) Bảng Thời gian chịu nhiệt nhiệt độ T T Logt t (phút) t (năm) (oC) (oK) 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 100000 10000 1000 100 10 0.1 100 150 200 250 Nhiệt độ (oC) Hình Tương quan nhiệt độ môi trường thời gian chịu nhiệt vật liệu Qua đồ thị thấy vật liệu PES có độ bền nhiệt cao: Trên 100 oC vật liệu có thời gian chịu nhiệt giảm nhanh, dài: Ở khoảng 180 oC thời gian chịu nhiệt vật liệu tới 42,6 năm Thực tế vật liệu làm việc khoảng nhiệt độ cực đoan tới khoảng 70 – 90 oC trời thấp so với mơi trường thử nghiệm Kết luận Trước sử dụng phổ biến ngày hôm nay, độ bền vải địa tiêu quan trọng (có thể lớn nhất) nhà thiết kế ứng dụng quan tâm từ ban đầu Tuổi thọ cơng trình ứng dụng thường dài: theo Sở Giao thông vận tải (UK) 120 năm [5], cơng trình Việt Nam u cầu (khơng thức) 20 năm Phương pháp nhiệt vi sai tính ảnh hưởng nhiệt độ mơi trường đến q trình lão hóa vật liệu làm ống địa kỹ thuật, cho ta thấy lựa chọn PES làm nguyên liệu chế tạo ống địa kỹ thuật xác xét tuổi thọ đê Điều hoàn 43 toàn xác đáng nhiệt độ số yếu tố gây nên lão hóa vật liệu polyme Các liệu đường nhiệt động xác định phương pháp nhiệt vi sai khẳng định kết xác định tuổi thọ vật liệu dệt phương pháp bán thực nghiệm khác (phản ánh yếu tố khí hậu, thời tiết, mơi trường, điều kiện sử dụng, ) cho kết dao động 20-25 năm đáng tin cậy hoàn toàn phù hợp với công bố nhà khoa học nước [6, 7, 8] Thử nghiệm DTA mẫu môi trường khơng khí cung cấp thêm thơng tin ảnh hưởng q 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 nhiệt tình giúp đỡ đóng góp ý kiến để hồn thành báo Tài liệu tham khảo [1] Krystian [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] W Pilarczyk (1998), Dikes and Revetments: Design, Maintenance and Safety Assessment, Publisher A A Balkema, Rotterdam Wojciech Prochera (2001), “Charaterystyka geotuby”, biuletin ochrona srodowiska 8/2001 ASTM: E1641-15, Standard Test Method for Decomposition Kinetics by Thermogravimetry Using the Ozawa/Flynn/Wall Method ASTM: E1877-15, Standard Practice for Calculationg Thermal Endurance of Materials from Thermogravimetry Decomposition Data Corbet S., and King J., (1993), Geotextiles in filtration and drainage, Thomas Telford Service Ltd., London Huỳnh Văn Trí (2006), Cơng nghệ gia cơng sợi hóa học, NXB Đại học quốc gia Tp HCM Donald G (director) (2011), The durability of geotextiles, GEOfabrics Limited, UK 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 ... Phương pháp nhiệt vi sai tính ảnh hưởng nhiệt độ mơi trường đến q trình lão hóa vật liệu làm ống địa kỹ thuật, cho ta thấy lựa chọn PES làm nguyên liệu chế tạo ống địa kỹ thuật xác xét tuổi thọ. .. thọ đê Điều hồn 43 tồn xác đáng nhiệt độ số yếu tố gây nên lão hóa vật liệu polyme Các liệu đường nhiệt động xác định phương pháp nhiệt vi sai khẳng định kết xác định tuổi thọ vật liệu dệt phương. .. 32,3218; B = 0,461 nhiệt độ 404 oC hay 677 oK 3.2 Xây dựng giản đồ chịu nhiệt vật liệu Giản đồ chịu nhiệt vật liệu ống địa kỹ thuật xây dựng theo ASTM: E187715 Phương trình chịu nhiệt vật liệu có