Nghiên cứu vật liệu Polyme-Clay nanocompozit để chế tạo thanh cốt neo chống giữ công trình ngầm

”. Thông tin KHCN Mỏ - Viện KHCN Mỏ, số 4, tr. 11-13. 4. Phạm Minh Đức, Bùi Đình Cư, Nguyễn Mạnh Khải (2001), “Polyme- compozit sử dụng trong ngành Mỏ”. Tạp chí công nghiệp Mỏ, số 6, tr.5-6. 5. Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Quang Phích (2001), “Nghiên cứu khảo sát khả năng bám dính của nhựa polyester không no và sợi thuỷ tinh trong vật liệu polyme-compozit”. Tuyển tập các công trình khoa học Đại Học Mỏ - Địa chất, số 23, tr. 55-57. 6. Phạm Minh Đức, Nguyễn Mạnh Khải (2000),“Chế tạo thử nghiệm một số sản phẩm từ vật liệu polyme-compozit sử dụng trong ngành Mỏ”. Hội nghị Khoa học Đại học Mỏ - Địa chất lần thứ 14, Hà Nội, tr.87-92. 1 PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài luận án Neo là một loại kết cấu chống được sử dụng rộng rãi trong ngành khai thác mỏ và xây dựng nói chung trên thế giới và trong nước. Thực tế cho thấy, neo với vai trò kết cấu chống tạm và chống cố định trong xây dựng công trình ngầm có hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cao. Neo được coi là kết cấu chống "đa năng", có thể sử dụng với mọi công trình ngầm có hình dạng, kích thước khác nhau, trong những điều kiện địa cơ học khối đá từ tốt đến xấu. Ngoài ra, thực tế cũng đã chứng minh khả năng kết hợp rất tốt của kết cấu neo với các loại kết cấu chống khác như bê tông phun, lưới thép, khung thép tổ hợp cũng như vỏ bê tông cốt thép liền khối... Để chống tạm trong quá trình thi công chia gương ở các công trình ngầm tiết diện lớn và “cược gương” khi khai đào trong khối đất, đá mềm yếu, kém ổn định hay gia cố tránh sập lở trong khai thác than, nếu sử dụng thanh neo bằng thép sẽ gặp trở ngại lớn trong giai đoạn thi công tiếp theo. Cụ thể là khi tiến hành đào tiếp để tiến gương, mở rộng hay khai thác than sử dụng máy đào, máy khai thác hoặc bằng phương pháp khoan nổ mìn thì các thanh neo bằng thép khó bị cắt đứt do khả năng kháng cắt của thép lớn, dễ gây sập lở do kéo tụt thanh neo, gây khó nhăn cho công tác xúc bốc vận chuyển khối đá sau khi phá nổ, do có lẫn các thanh neo. Ngoài ra nếu sử dụng các thanh neo bằng thép làm kết cấu chống cố định hay một bộ phận của vỏ chống cố định hỗn hợp thì trong môi trường ẩm ướt hay môi trường axit thanh cốt neo dễ có thể bị ăn mòn (điện hoá, hoá học), làm giảm tuổi thọ của công trình.. Mặt khác, do trọng lượng thanh neo thép lớn nên thường gây khó khăn, không đảm bảo cắm neo chính xác khi thi công thủ công. Trong xu thế tăng cường xây dựng các hệ thống giao thông ngầm ở thành phố Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, khai thác than ở đồng bằng Bắc bộ trong các khối đất, đá mềm yếu, kết cấu neo sẽ có cơ hội được sử dụng ngày càng nhiều, tuy nhiên bằng vật liệu và các tính chất hợp lý. Để khắc phục một số nhược điểm của neo cốt thép, trên thế giới đã chế tạo các thanh cốt neo bằng chất dẻo và cho các kết quả khả quan trong thực tế. Ở nước ta, công tác nghiên cứu cải thiện kết cấu neo cũng đã được tiến hành từ những năm 1996 đến nay tại Viện Khoa học Công nghệ mỏ. Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu mới chỉ tập trung vào việc thay thế từ chất kết dính vô cơ bằng chất kết dính hữu cơ. Nghiên cứu thanh cốt neo thay cho thép đang sử dụng cũng đã được triển khai, nhưng bước đầu mới chỉ nghiên cứu chế tạo thanh cốt neo từ vật liệu polyme- compozit cốt sợi thuỷ tinh và chưa được áp dụng thử nghiệm tại hiện trường. Các kết quả nghiên cứu này đã được trình bày trong luận văn Thạc sỹ kỹ thuật của NCS năm 2001. Vật liệu polyme-clay nanocompozit là loại vật liệu lai tạo từ polyme (vật liệu nền) và khoáng sét (chất phân tán), đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong vài thập niên gần đây trên thế giới. Các kết quả nghiên cứu đều 2 cho thấy các đặc điểm vượt trội về cơ tính, hoá tính và lý tính của vật liệu polyme-clay nanocompozit so với vật liệu polyme-compozit thông thường, xuất phát từ sự tương hợp của polyme nền với khoáng sét và phát huy hiệu ứng cấu trúc nano của các lớp khoáng sét. Ở Việt Nam, vật liệu polyme-clay nanocompozit cũng đã được một số đơn vị khoa học triển khai nghiên cứu như: Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật Quân sự-Bộ quộc phòng … Song các công trình nghiên cứu và sản phẩm này tập trung đáp ứng các yêu cầu sử dụng trong các lĩnh vực điện, điện tử, sơn chống ăn mòn và một số chế phẩm phục vụ đời sống dân sinh… Các công trình nghiên cứu trên thế giới cho thấy tính chất cơ lý của vật liệu polyme-clay nanocompozit nếu được tăng cường bằng sợi thủy tinh với hàm lượng hợp lý, sẽ cho ta vật liệu có độ bền kéo tăng khoảng gấp 3 lần so với thép, nhưng độ bền cắt lại thấp hơn thép. Vật liệu mới này cho phép tạo nên các sản phẩm có độ cứng cao và không bị ăn mòn, chịu mài mòn cao. Ngoài ra vật liệu này lại cho phép dễ gia công, xử lý để có kích thước phù hợp (dễ uốn dẻo, cưa cắt để có chiều dài tuỳ ý ở điều kiện bình thường…). Luận án “Nghiên cứu vật liệu polyme-clay nanocompozit để chế tạo thanh cốt neo chống giữ công trình ngầm” được hình thành xuất phát từ các yêu cầu thực tế và các tiến bộ khoa học trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Mục đích của công tác nghiên cứu là để tiếp cận công nghệ chế tạo và ứng dụng hệ vật liệu polyme-clay nanocompozit, từng bước nghiên cứu vật liệu thay thế thép làm thanh cốt neo với nguồn nguyên liệu clay trong nước, nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng của thực tiễn sản xuất trong ngành than, cũng như xây dựng công trình ngầm dân dụng nói chung và khẳng định vai trò nghiên cứu xu hướng hội nhập quốc tế. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Xuất phát từ yêu cầu cấp thiết nêu trên, mục tiêu của luận án là tạo ra vật liệu tổ hợp có tính năng vượt trội cũng như khắc phục được các nhược điểm so với vật liệu thép khi sử dụng làm thanh cốt neo. Để đạt mục tiêu này, luận án đã tập trung nghiên cứu những vấn đề sau: 1- Hình thành được công nghệ thích hợp để chế tạo polyme-clay nanocompozit ở quy mô phòng thí nghiệm, trên cơ sở polyme là các chế phẩm sẵn có ở thị trường Việt Nam. 2- Nghiên cứu ảnh hưởng của claynano (nano sét) đến các tính chất cơ lý (độ bền kéo và độ bền cắt) của vật liệu polyme-clay nanocompozit. 3- Nghiên cứu, khảo sát để chế tạo thanh cốt neo từ nhựa nền polyme-clay nanocompozit được gia cường bằng sợi thuỷ tinh. 4- Nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng thanh cốt neo đã được chế tạo so với thanh cốt neo bằng thép hiện đang chống giữ công trình ngầm, thông qua nghiên cứu triển khai áp dụng tại cùng địa điểm, theo cùng nguyên lý thiết kế, làm việc và với dây chuyền công nghệ thi công như nhau. 3 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và những đóng góp mới của luận án Luận văn đã tập trung nghiên cứu các cơ sở khoa học phục vụ cho việc xây dựng công nghệ chế tạo thanh cốt neo trên cơ sở vật liệu epoxy-clay nanocompozit với mục đích ứng dụng trong thực tế và rút ra một số đóng góp mới như sau: 1- Đã phân tán thành công claynano được chế tạo từ bentonit Bình Thuận vào trong nền epoxy đến mức độ tách lớp hoàn toàn (expholiated) và xác định được các thông số chủ yếu của quá trình phân tán. 2- Đã xây dựng công nghệ chế tạo thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh, trên cơ sở nhựa nền epoxy-claynano được gia cường bằng sợi thủy tinh, với tỷ lệ thành phần: 60% phần khối lượng sợi thủy tinh; 40% phần khối lượng nhựa nền epoxy-claynano (trong đó có 5% clay MMT). 3- Đã thử nghiệm thành công thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh tại mỏ than Hồng Thái với chất lượng tương đương cốt neo thép với cùng mục đích sử dụng. Từ những đóng góp mới này, bước đầu luận án đã có một số ý nghĩa về lý luận và thực tiễn như sau: Về lý luận: claynano chính là những hạt sét có kích thước nanomet, được đưa vào vật liệu polyme nhằm tạo ra một bước nhảy về tính chất cơ, lý của vật liệu. Polyme-clay nanocompozit có tính năng vượt trội so với vật liệu truyền thống có cùng mục đích sử dụng trong xây dựng công trình ngầm nói chung hay khoa học vật liệu nói riêng. Những kết quả nghiên cứu ban đầu này sẽ có giá trị tham khảo trong việc giảng dạy, đầu tư và phát triển lĩnh vực vật liệu mới, từng bước thay thế vật liệu truyền thống trong xây dựng công trình ngầm và mỏ. Về thực tiễn: tạo ra một tổ hợp vật liệu mới với nguồn nguyên liệu chính là clay trong nước, có tính năng cơ lý vượt trội, sử dụng để chế tạo thanh cốt neo chống giữ công trình ngầm nhằm thay thế một phần nào đó vật liệu thép truyền thống về số lượng, cũng như phạm vi sử dụng về các yêu cầu chịu lực, song phải khắc phục được các nhược điểm của thép có cùng mục đích sử dụng. Kết cấu của luận án Luận án gồm phần mở đầu, ba chương, phần kết luận, phần phụ lục. Toàn bộ nội dung của luận án được trình bày trong 117 trang, trong đó có 31 bảng, 50 hình và đồ thị với 152 tài liệu tham khảo. Phần lớn kết quả của luận án được công bố trong 6 bài báo và báo cáo tại các hội nghị trong nước. NHỮNG NỘI DUNG CƠ BẢN CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NEO TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH CỐT NEO 1.1. NEO CHỐNG GIỮ CÔNG TRÌNH NGẦM 1.1.1.Tình hình nghiên cứu và sử dụng neo trên thế giới Neo đã có từ cuối thế kỷ XIX và trong 5 thập kỷ gần đây đã được sử dụng rất rộng rãi trong công tác chống giữ các công trình ngầm trên thế giới. Hàng 4 năm tại Liên Xô (cũ) đã chống giữ khoảng 500 km đường lò đá bằng neo. Tại Mỹ hàng năm đưa vào sử dụng khoảng 20 triệu chiếc neo chất dẻo cốt thép, Tây Đức khoảng 1,5 triệu chiếc và neo cũng được sử dụng rộng rãi ở một số nước khác như Ba Lan, Pháp, Trung Quốc và Nhật Bản… Cùng với nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều kết cấu chống giữ bằng neo. Cho đến nay trên thế giới đã có hàng trăm loại neo ra đời, trong đó có neo polyme-compozit và đã được ứng dụng thành công. Để phân loại neo, người ta dựa vào tính năng kỹ thuật; khả năng mang tải; vật liệu làm neo như: gỗ, thép, polyme-compozit, hoặc cấu tạo neo như dạng: ống, thanh, sợi và nguyên lý liên kết làm việc như: liên kết cơ học, liên kết dính kết và liên kết hỗn hợp, như sơ đồ phân loại hình 1.2. Hình 1.2. Sơ đồ phân loại neo theo nguyên lý liên kết 1.1.2. Neo và xu hướng sử dụng vật liệu polyme-compozit trong chống giữ công trình ngầm và mỏ ở Việt Nam Xây dựng công trình ngầm và mỏ trong những năm gần đây đã và đang là một nhu cầu bức thiết bởi các yếu tố kinh tế, chính trị, giao thông vận tải và an ninh quốc phòng, đặc biệt là trong khai thác khoáng sản mỏ hầm lò. Từ những năm 80 của thế kỷ trước, các công trình như thuỷ điện Hoà Bình, thuỷ điện Yaly, hầm giao thông đèo Hải Vân, Đèo Ngang và khai thác than ở Quảng Ninh đã sử dụng neo để chống tạm; chống hỗn hợp cố định cho hàng trăm km đường hầm và đường lò, với nhiều loại hình neo phong phú và đa dạng như neo bê tông cốt thép, neo nêm chẻ, neo ống có rãnh hở, neo chất dẻo cốt thép. Những loại neo này đã được sử dụng tuỳ thuộc vào từng điều kiện địa chất cụ thể và neo được sử dụng chủ yếu là neo dính kết, cụ thể là neo bê tông cốt thép và neo chất dẻo cốt thép, chúng khác nhau về chất kết dính (vô cơ và hữu cơ) - gọi chung là neo cốt thép. Bên cạnh những ưu điểm tuyệt vời của neo cốt thép, thì chính nó còn có không ít những hạn chế liên quan tới điều kiện sử dụng, tới môi trường khí hậu khắc nghiệt trong công trình ngầm nói chung, mỏ hầm lò nói riêng. Từ những kết quả nghiên cứu ứng dụng trên thế giới cho thấy thanh cốt neo được làm từ vật liệu polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh có độ bền kéo tương đương thép, nhưng khắc phục được một số nhược điểm của thép như độ bền cắt 5 thấp hơn, chính yếu tố này tạo điều kiện thuận lợi khi nổ mìn tiến gương, hoặc tổ hợp máy đào, máy khấu than cần tiến qua, đồng thời lại bền trong môi trường vi khí hậu nóng ẩm và trọng lượng bằng 1/4 trọng lượng của thép, cuối cùng là tính phù hợp về kích thước trong thi công của thanh cốt neo polyme-compozit tốt hơn thanh cốt neo thép rất nhiều. Như vây, có thể thấy rằng thanh cốt neo polyme- compozit cốt sợi thủy tinh có thể thay thế và khắc phục được một số nhược điểm của neo thép có cùng mục đích sử dụng. Cũng theo những kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy rằng, nếu trong vật liệu polyme có chứa một hàm lượng thích hợp từ 0,5÷5% “clay” kích thước nanomet, thì sẽ tạo ra một bước nhảy vọt về tính chất cơ lý của vật liệu polyme- clay nanocompozit như độ bền kéo tăng gấp 3 lần so với thép, nhưng độ bền cắt lại thấp hơn thép, có thể cho phép tạo sản phẩm có độ cứng cao, bền nhiệt, nước và không bị ăn mòn điện hoá, hoá học, chịu mài mòn cao, ngoài ra tính phù hợp về kích thước rất cao như: uốn dẻo, cưa cắt dễ, chiều dài tuỳ ý. Vì vây, nó hoàn toàn có thể đáp ứng được là một vật liệu thay thế vật liệu thép làm cốt neo chống giữ công trình ngầm nói chung. Song việc nghiên cứu ứng dụng về vật liệu polyme-compozit nói chung, cũng như thanh cốt neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh và thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh nói riêng trong chống giữ công trình ngầm ở nước ta chưa được đầu tư một cách thoả đáng, cho đến thời điểm hiện nay vẫn chỉ dừng ở khảo sát, thăm dò vật liệu kết dính là polyme-compozit. Do đó, việc nghiên cứu vật liệu polyme-clay nanocompozit để chế tạo thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh thay thế thanh cốt neo thép có cùng mục đích sử dụng không những đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, mà còn mang lại hiệu quả kinh tế trong chống giữ công trình ngầm nói chung ở nước ta là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng. Hình 1.3 là sơ đồ phân loại neo theo nguyên lý liên kết làm việc, mà trong đó được bổ sung thêm bởi những kết quả nghiên cứu của NCS qua từng luận án. Hình 1.3. Sơ đồ phân loại neo theo nguyên lý liên kết được bổ sung bởi kết quả nghiên cứu của luận án 6 1.2.VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1.2.1.Tình hình nghiên cứu công nghệ và chế tạo vật liệu nanocompozit ở Việt Nam Từ giữ những năm 1990, ở nước ta đã tập trung nghiên cứu công nghệ và vật liệu nano. Trong những năm gần đây đã thu được một số thành tựu đáng kể trong lĩnh vực công nghệ này như đã chế tạo được than nano lỏng tổng hợp từ bột than, sản phẩm này dùng để chế tạo vi mạch cho chíp máy tính hoặc các linh kiện bán dẫn, bên cạnh đó một số tác giả thuộc Viện khoa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tổng hợp được sợi nano cacbon bằng phương pháp lắng đọng pha hơi, sử dụng nguyên liệu khí thiên nhiên. Một số công ty sản xuất, kinh doanh ở trong nước cũng đã bắt đầu quan tâm đến vật liệu nano và những sản phẩm được chế tạo từ nanocompozit để ứng dụng trong công nghiệp điện tử, công nghiệp mỹ phẩm, công nghiệp làm màng bảo vệ... cũng đã được các Công ty này đưa vào và phân phối trên thị trường Việt Nam. Vật liệu polyme-clay nanocompozit được chế tạo từ nguồn nguyên liệu cơ bản và quan trọng nhất đó claynano. Để có được nguyên liệu này thì phải xuất phát từ khoáng sét bentonit và ở nước ta nguồn tài nguyên này rất đa dạng và phong phú. Song, cho đến thời điểm hiện nay, tác giả luận án chưa tìm thấy tài liệu công bố của cá nhân hoặc đơn vị nào ở Việt Nam về việc đã chủ động được công nghệ chế tạo vật liệu claynano từ nguồn khoáng sét bentonit trong nước, để ứng dụng chế tạo thanh cốt neo chống giữ công trình ngầm nói chung. Thanh cốt neo nghiên cứu chế tạo trong luận án có những thành phần vật liệu cơ bản sau đây: - Nhựa nền: bao gồm nhựa polyme và claynano. - Sợi thuỷ tinh gia cường. - Một số chất phụ gia: chất pha loãng và đóng rắn… Công nghệ chế tạo vật liệu polyme-clay nanocompozit trong luận án được thực hiện theo các bước như sau:  Lựa chọn vật liệu khoáng sét bentonit có chứa montmorillonit hàm lượng cao.  Hữu cơ hoá montmorillonit đã được lựa chọn.  Cho montmorillonit sau khi đươc hữu cơ hoá khuyếch tán vào polyme bằng phương pháp trộn hợp cơ học.  Tạo vật liệu polyme-clay nanocompozit trạng thái xen lớp đến tách lớp hoàn toàn (expholiated). 1.2.2. Khoáng sét bentonit Bentonit là một loại khoáng tự nhiên mà thành phần chính là montmorillonit có công thức hóa học Mx(Al4-xMgx)Si8O20(OH)4 và một số khoáng sét khác như: saponit, nontronit, beidellit… Ngoài ra, người ta còn phát hiện thấy trong bentonit còn có một số khoáng chất khác nữa như: kaolinit, clorit, mica và một số khoáng phi sét như: canxit, pirit, thạch cao…, các muối kiềm và các chất hữu cơ. Bentonit thường được gọi theo tên khoáng vật chính là montmorillonit (viết tắt là mont.). 7 Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể lý tưởng của montmorillonit Montmorillonit là aluminosilicat tự nhiên có cấu trúc lớp như hình 1.4, cấu trúc này bao gồm 2 tấm tứ diện chứa Si và 1 tấm bát diện chứa Al hoặc Mg bị kẹp giữa 2 tấm tứ diện. Các tấm này có chung các nguyên tử oxy ở đỉnh. Độ dày của mỗi lớp mont. khoảng 9,6A0. Cấu trúc tinh thể được cấu tạo từ hai mạng lưới tứ diện liên kết với một mạng lưới bát diện ở giữa tạo nên một lớp cấu trúc. Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hấp phụ. Các lớp cấu trúc được chồng xếp song song với nhau và tạo nên một mạng lưới không gian ba chiều của tinh thể montmorillonit. Chiều dày một lớp cấu trúc của mont. khoảng 9,6A 0 . Nếu kể cả lớp cation trao đổi và nước hấp phụ thì chiều dày của một lớp khoảng 15A0. Bằng cách trao đổi ion. Các phân tử nước dễ dàng xâm nhập khoảng không gian giữa các lớp và làm thay đổi khoảng cách giữa chúng. Khoảng cách này cùng với chiều dày của một lớp cấu trúc được gọi là khoảng cách cơ bản, có thể thay đổi từ 10A0 đến 20A0 tuỳ thuộc vào lượng nước bị hấp phụ vào khoảng không gian giữa hai lớp cấu trúc tinh thể. Khoảng cách này có thể tăng đến gần 30A0 khi thay thế các cation trao đổi bởi các ion vô cơ phân cực, các phức cơ kim, các phân tử oligome hữu cơ… Trong luận án, NCS đã khảo sát, lựa chọn bentonit ở 4 tỉnh đó là Lâm Đồng, Bình Thuận, Thanh Hoá, Phú Yên và có so sánh với bentonit thương phẩm của 2 Công ty nước ngoài. 1.2.3. Polyme - nhựa epoxy Polyme nói chung trên thế giới cũng như ở trong nước đã được sử dụng phổ biến làm nhựa nền trong chế tạo vật liệu compozit ở dạng nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo, tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng của vật liệu, cũng như tính phổ biến, thông dụng trên thị trường và sự đơn giản khi điều chỉnh tốc độ phản ứng đóng rắn, để người ta lựa chọn polyme làm nhựa nền. Như đã trình bày trong phần mở đầu, đó là thanh cốt neo polyme-clay nanocompozit được nghiên cứu chế tạo cần có khả năng chịu kéo cao (tương đương với thép), song phải chịu cắt thấp hơn thép và bền trong môi trường vi khí hậu ẩm ướt và không bị ăn mòn điện hoá hay hoá học. Đồng thời thanh cốt neo 8 được nghiên cứu chế tạo từ claynano với sợi tăng cường trên cơ sở nhựa nền thương phẩm. Do đó, tác giả đã lựa chọn polyme nhựa nền là nhựa epoxy, vì: - Epoxy được sử dụng nhiều trong công nghiệp compozit. Do những đặc tính cơ học cao của nhựa epoxy, người ta sử dụng nó để tạo ra compozit có độ bền cao, phục vụ các ngành: chế tạo máy bay, vũ trụ, tên lửa... - Nhựa epoxy với những ưu điểm cơ bản như: tính chất cơ học cao (kéo, nén, uốn, va đập...); chịu được nhiệt độ đến 120C; độ bền hóa học cao; độ co ngót thấp (0,5÷1%); thẩm thấu vào vải và sợi rất tốt và khả năng bám dính với kim loại cao. Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm như: ròn và giá thành cao. Cụ thể trong luận án lựa chọn sử dụng Epicote-828; chất pha loãng Heloxy- 505 là một sản phẩm của Hãng Sell, đây là một loại polyepoxid có độ nhớt thấp, khi phối trộn với nhựa epoxy vừa làm giảm độ nhớt vừa tham gia quá trình đóng rắn của nhựa nên người ta còn gọi là chất pha loãng hoạt tính và lựa chọn chất đóng rắn với mã hiệu adduct epicure-3125, với tỷ lệ 1:1, đây cũng là một sản phẩm được hãng Sell sản xuất từ epoxy-828 với DETA (dietylentriamin). Nhằm mục đích khắc phục những nhược điểm trong quá trình đóng rắn. 1.2.4. Sợi gia cường - sợi thuỷ tinh Sợi gia cường cho vật liệu polyme-compozit trên thực tế có rất nhiều loại sợi khác nhau như sợi cacbon, sợi thép, sợi gốm, sợi thuỷ tinh, sợi bông, sợi vải và cả sợi giấy…, những sợi tăng cường này được sử dụng tuỳ thuộc vào mục đích của vật liệu compozit. Qua tham khảo các tài liệu cho thấy sợi thuỷ tinh là loại sợi phổ biến, thông dụng vì sợi thuỷ tinh dưới dạng khối rất giòn, dễ bị nứt. Ngược lại khi được gia công dưới dạng sợi đường kính nhỏ (vài chục micronmet), thuỷ tinh sẽ mất các tính chất trên và có nhiều ưu điểm trên phương diện cơ học. Tuỳ theo cấu tạo, người ta chế tạo được nhiều loại sợi thuỷ tinh khác nhau. Trong thực tế người ta thường sử dụng các loại sợi thuỷ tinh này với các mục đích cụ thể, như chọn các loại sợi R;S để chế tạo các kết cấu có độ bền cơ học cao, loại C làm các lớp phủ trên các chi tiết máy, loại E được ứng dụng chung. Các loại sợi thuỷ tinh luôn được phun phủ chất liên kết bề mặt ngay sau khi hình thành sợi, nhằm tạo nên một lớp chuyển tiếp giữa chúng và nền polyme, với mục đích gia cuờng sự liên kết trong nội bộ sợi cốt và tạo ra các cầu nối bền vững về pha cốt và pha nền, như vậy người ta đã tạo ra liên kết hoá học cả pha cốt và pha nền. Để có cùng hệ quy chiếu so sánh với các thanh cốt neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh do nước ngoài sản xuất và cũng là sự nghiên cứu phát huy kế thựa từ luận án thạc sỹ kỹ thuật của mình, nên NCS đã lựa chọn sợi thuỷ tinh E làm sợi tăng cường cho thanh cốt neo được nghiên cứu chế tạo trên nền nhựa epoxy-clay nanocompozit. Cụ thể ở đây là sợi thuỷ tinh E của Trung Quốc sản xuất có đường kính trung bình là 17µm. 9 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA NỀN, THANH CỐT NEO VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 2.1. PHẦN THỰC NGHIỆM 2.1.1. Các phương pháp nghiên cứu Đã sử dụng phương pháp xác định dung lượng trao đổi cation (TCVN 8466:2010) để lựa chọn khoáng sét bentonit cho nghiên cứu. Đã chế tạo nhựa nền, bằng phương pháp nghiền trộn cơ học để phân tán clay được hữu cơ hoá vào nhựa epoxy đến tách lớp hoàn toàn (expholiated). Để nghiên cứu chế tạo thanh cốt neo đã sử dụng phương pháp kéo rút qua khuôn ở ba khoảng nhiệt độ (80, 120,140 0 C). Đã sử dụng các phương pháp hoá lý và vật lý như: phổ XRD, FT-IR, ảnh SEM, TEM, kính hiển vi kim tương và các phương pháp đo độ bền cơ học: độ bền kéo, độ bền cắt. 2.1.2. Phương pháp hữu cơ hóa khoáng sét Bước 1: cân 20g Bentonit cho vào cốc thuỷ tinh, bổ xung 2000 ml nước cất ở 800C. Sử dụng máy khuấy từ khuấy trong vòng 15 phút, tiếp tục cho siêu âm trong vòng 2 đến 4 giờ ta được dung dịch huyền phù A. Bước 2: cân 8,5g didecyl dimethyl amonnium clorua (DDAC-có công thức hoá học (C10H21)2(CH3)2NCl) cho vào cốc thủy tinh, bổ xung 800ml dung dịch nước cất và khuấy mạnh bằng máy khuấy từ, ta thu được dung dịch huyền phù B. Bước 3: rót từ từ dung dịch B vào dung dịch A. Tiếp tục khuấy trộn mãnh liệt và siêu âm ở nhiệt độ 800C trong 6 giờ. Bước 4: tách phần kết tủa bằng cách chắt bỏ phần nước ở phía trên (sau khi để qua đêm). Bước 5: lọc, rửa kết tủa bằng nước cất 800C qua phễu lọc chân không, đến khi thử bằng dung dịch AgNO3 (5%) đến khi hết ion clorua tự do, để khô trong không khí, sau đó sấy trong chân không ở 500C÷550C trong 5 giờ (đến khi độ ẩm không đổi là 3%). Bước 6: sản phẩm được nghiền trong cối nghiền bi sứ và rây qua rây 0,075 mm và bảo quản trong bình hút ẩm. 2.1.3. Phương pháp chế tạo nhựa nền - Nhựa epoxy + Epicote-828 : 90 phần khối lượng + Chất pha loãng Heloxy-505 : 10 phần khối lượng - Khoáng sét đã biến tính được điều chế từ bentonit của Lâm Đồng và Bình Thuận, theo tỷ lệ 1%; 2%; 3%; 4%; 5%; 6% phần khối lượng so với epoxy. - Phương pháp phân tán clay vào nhựa epoxy Tổ hợp vật liệu được khuấy trộn ở nhiệt độ 900C, thời gian khoảng 30 phút. Được để nguội đến 250C. Tiếp tục nghiền trộn trên máy cán ba trục trong thời gian 3 đến 4 giờ. 2.1.4. Công nghệ chế tạo thanh cốt neo Chùm sợi thuỷ tinh được kéo qua máng nhựa với tốc độ 5m/phút, qua khuôn để định dạng và loại bỏ nhựa dư. Khuôn được đặt ở ba vùng nhiệt độ 80 ÷ 120 ÷ 140 0 C, sản phẩm tiếp tục được ủ bảo dưỡng ở 800C trong 4 giờ và để ổn 10 định 24 giờ tại nhiệt độ phòng 250C. Để có cơ tính cao, các nhà sản xuất thường điều chỉnh hàm lượng sợi hợp lý. Vì vậy, NCS lựa chọn khảo sát 5 loại tỷ lệ sợi thủy tinh theo khối lượng nhựa là 30%; 40%; 50%; 60% và 70% để khảo sát độ bền cơ học của của vật liệu. 2.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.2.1. Khảo sát và lựa chọn khoáng sét bentonit Với khuôn khổ của luận án, đã thực hiện lấy một số mẫu khoáng sét bentonit để xác định dung lượng trao đổi cation tại các mỏ Bình Thuận, Lâm Đồng, Phú Yên, Thanh Hóa và có so sánh với hai mẫu bentonit thương phẩm của nước ngoài. Kết quả như sau: - Bentonit Bình Thuận: 106,87 mgđl/100 g - Bentonit Lâm Đồng: 35,94 mgđl/100 g - Bentonit Thanh Hóa: 13,31 mgđl/100 g - Bentonit Phú Yên: 11,46 mgđl/100 g - Bentonit của hãng Southerm clay Co: 110 mgdl/100 g - Bentonit của hãng Merck : 100 mgdl/100 g Dựa vào kết quả này NCS chọn bentonit của Bình Thuận và Lâm Đồng là đối tượng nghiên cứu. Bentonit Bình Thuận do Công ty Trách nhiệm hữu hạn Minh Hà - KCN Phan Thiết cung cấp. Bentonit Lâm Đồng do Công ty cổ phần Hiệp Phú - Đà Lạt cung cấp. Việc lấy mẫu hoàn toàn ngẫu nhiên. 2.2.2. Xác định cấu trúc hình thái cơ bản của khoáng sét bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận trước và khi hữu cơ hóa 2.2.2.1. Dung lượng trao đổi cation sau khi hữu cơ hóa - Bentonit Lâm Đồng là 11,40 mgđl/100gam (giảm 65,28%). - Bentonit Bình Thuận là 13,30 mgđl/100gam (giảm 87,55%). 2.2.2.2. Phân tích bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) Hình 2.6 là phổ đồ nhiễu xạ tia X của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận trước và sau khi biến tính. - Peak nằm trong khoảng 2 =1070 đặc trưng cho montmorillonit, khoảng cách cơ bản của mont. Lâm Đồng d001 = 26,103 A 0 với cường độ bước sóng 500Cps, còn của mont. Bình Thuận d001 = 27,784 A 0 với cường độ bước sóng 720Cps. Điều này chứng tỏ khả năng phản ứng với didecyl dimethylamonnium clorua của mẫu bentonit Bình Thuận lớn hơn so với mẫu bentonit Lâm Đồng. Hình 2.6. Cộng phổ đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận trước và sau khi hữu cơ hóa biến tính 11 2.2.2.3. Phân tích bằng phổ hồng ngoại (FT-IR) Từ phổ đồ hồng ngoại hình 2.7 đều xuất hiện vệt phổ tại vùng 2800÷2950 cm -1, đây là đặc trưng của nhóm hữu cơ có mặt trên bề mặt của bentonit. Tuy nhiên cường độ phổ của mẫu bentonit Bình Thuận lớn hơn nhiều, điều đó chứng tỏ khả năng phản ứng của mẫu bentonit Bình Thuận lớn hơn so với mẫu bentonit Lâm Đồng. Hình 2.7. Phổ hồng ngoại của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận trước và sau khi hữu cơ hóa Kết hợp giữa các số liệu phân tích với phổ kế tia X và hồng ngoại (IR) có thể sơ bộ rút ra nhận xét: khả năng phản ứng với muối amin của bentonit Bình Thuận lớn hơn bentonit Lâm Đồng. 2.2.3. Khảo sát cấu trúc bề mặt của bentonit Lâm Đồng, Bình Thuận trước và sau khi hữu cơ hóa bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) Chụp ảnh SEM mẫu bentonit của Lâm Đồng và Bình Thuận được thực hiện trên thiết bị 5410 LV (Nhật Bản) của Trung tâm Khoa học Vật liệu- Khoa Vật lí, Trường Đại học Quốc gia Hà Nội. - Mẫu bentonit của Bình Thuận là bentonit kiềm, nên ở trong nước có độ trương phồng lớn, hạt nhỏ mịn, hạt phân tán cao. - Bentonit Lâm Đồng thuộc loại bentonit kiềm thổ, khả năng trương phồng kém, dễ bị sa lắng trong nước, khi khô các tinh thể bentonit ít bị co ngót, kích thước hạt lớn hơn và bề mặt phẳng hơn so với bentonit kiềm. Điều này thể hiện rất rõ ở hình 2.8 và hình 2.9. Hình 2.8. Ảnh SEM của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận trước khi hữu cơ hóa Hình 2.9. Ảnh SEM của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận sau khi hữu cơ hóa 12 Kết luận: hữu cơ hóa thành công montmorillonit, là thành phần chủ yếu của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận với với các đặc trưng trình bày trong bảng 2.4, nhằm tăng sự tương hợp và khuếch tán giữa claynano với polyme. Đây cũng chính là những nguyên liệu đầu vào cho các nghiên cứu tiếp theo của luận án. Bảng 2.4. Đặc trưng mont. của Lâm Đồng và Bình Thuận trước và sau khi hữu cơ hoá TT Thông số Lâm Đồng Bình Thuận Trước Sau Trước Sau 1 Màu sắc vàng sẫm vàng nhạt ghi sáng trắng xám 2 d001 (A 0 ) 15,674 26,103 13,857 27,784 3 Kích thước hạt qua rây 0,075 mm 0,075mm 0,075mm 0,075mm 2.2.4. Khảo sát sự phân tán của claynano trong nhựa nền 2.2.4.1. Quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Ta có thể quan sát thấy các sợi clay có màu đen với kích thước nanomet và với chiều dày khoảng 1÷2 nanomet được phân bố trong các mẫu Bình Thuận (M1), Lâm Đồng (M2) như sau: - Tỷ lệ 1% như hình 2.10 cho thấy phân tán không đều, thưa ít, đặc biệt là mẫu M2 kết búi, phân tán trong epoxy kém, mẫu M1 có độ phân tán tốt hơn. Hình 2.10.Tỷ lệ 1 % claynano theo khối lượng epoxy - Tỷ lệ 2% như hình 2.11 cho thấy mức độ phân tán trong epoxy có cải thiện hơn so với tỷ lệ 1%, tuy nhiên hiện tượng kết búi ở hai mẫu vẫn diễn ra, song mẫu Bình Thuận (M1) có độ phân tán tốt hơn. Hình 2.11. Tỷ lệ 2 % claynano theo khối lượng epoxy - Tỷ lệ 3% mức độ như hình 2.12 cho thấy phân tán trong epoxy có cải thiện đáng kể hơn so với tỷ lệ 2%, tuy nhiên hiện tượng kết búi ở hai mẫu vẫn diễn ra và mẫu M1 vẫn có độ phân tán tốt hơn mẫu M2. 13 Hình 2.12. Tỷ lệ 3 % claynano theo khối lượng epoxy - Tỷ lệ 4% như hình 2.13 cho thấy mức độ phân tán trong epoxy có cải thiện rõ rệt so với tỷ lệ 3%, hiện tượng kết búi ở hai mẫu vẫn còn, nhưng ở mẫu M1 không đáng kể, mẫu M2 thì rất rõ với những đám đen lớn và mẫu M1 cho thấy có độ phân tán tốt hơn mẫu M2. Hình 2.13. Tỷ lệ 4 % claynano theo khối lượng epoxy - Tỷ lệ 5% như hình 2.14 cho thấy mức độ phân tán trong epoxy tương đối đồng đều ở cả hai mẫu, hiện tượng kết búi chỉ còn ở mẫu M2, nhưng mức độ thấp hơn so với mẫu cùng loại ở 4%, và mẫu M1 cho thấy có độ phân tán tốt hơn hẳn so với mẫu M2. Hình 2.14. Tỷ lệ 5% claynano theo khối lượng epoxy - Tỷ lệ 6% như hình 2.15 cho thấy mức độ phân tán trong epoxy kém và hiện tượng kết búi lớn lại xuất hiện ở cả hai mẫu, tuy nhiên mẫu M1 cho thấy có độ phân tán vẫn tốt hơn so với mẫu M2. Hình 2.15. Tỷ lệ 6 % claynano theo khối lượng epoxy 14 Qua kết quả quan sát 12 mẫu nhựa nền có thể thấy với tỷ lệ từ 1% ÷ 6% claynano so với khối lượng của nhựa epoxy thì mức độ phân tán claynano trong epoxy tương đối đồng đều, song mức độ phân tán của claynano từ bentonit M1 tốt hơn nhiều so với claynano từ bentonit M2. 2.2.4.2. Khảo sát cấu trúc epoxy-claynano bằng nhiễu xạ tia X (XRD): Tại hình 2.16 phổ đồ cho thấy sau khi phối trộn với epoxy, xuất hiện peak tại 2 = 20 thì khoảng cách cơ bản d001 của clay Lâm Đồng, Bình Thuận, lần lượt là 26,924A 0 và 27,536A 0. Điều này, có thể rút ra nhận xét là epoxy không khuếch tán được vào khoảng cách giữa các lớp montmorillonit ở tỷ lệ 1%. Hình 2.16. Phổ đồ nhiễu xạ tia X của epoxy-claynano Lâm Đồng và Bình Thuận với tỷ lệ 1% phần khối lượng claynano so với nhựa epoxy Hình 2.17. Phổ đồ nhiễu xạ tia X của epoxy-claynano Lâm Đồng và Bình Thuận với tỷ lệ 2% phần khối lượng claynano so với nhựa epoxy Phổ đồ hình 2.17 cho thấy sau khi phối trộn với epoxy, thì khoảng cách cơ bản d001 của clay Lâm Đồng, Bình Thuận, lần lượt là 27,924 A 0 và 27,499A 0 . Như vậy là khoảng cách d001 có sự thay đổi đối với clay Lâm Đồng, còn đối với clay Bình Thuận có không đáng kể. Ảnh TEM của hai mẫu này chứng minh cho điều đó: M2 có sự khuếch tán của epoxy trong claynano. Còn M1 chỉ là 15 những búi đen, có nghĩa là epoxy không khuếch tán được vào khoảng cách giữa các lớp claynano. Hình 2.18. Phổ đồ nhiễu xạ tia X của epoxy-claynano Lâm Đồng và Bình Thuận với tỷ lệ 3% phần khối lượng claynano so với nhựa epoxy Hình 2.18 là phổ đồ của epoxy-claynano Lâm Đồng và Bình Thuận, với hàm lượng 3%, tại peak 2 = 20, khoảng cách cơ bản d001 lần lượt là 21,280 A 0 và 28,374A 0. Như vậy là khoảng cách d001 có sự thay đổi: đối với clay Lâm Đồng, d001 còn nhỏ đi, TEM cho thấy phần lớn ảnh là màu đen kết búi của claynano. Với clay Bình Thuận, d001 tăng lên và ảnh TEM cho thấy có sự khuếch tán của epoxy vào claynano, tuy nhiên chưa nhiều và đều đặn. Song, khả năng chèn trong epoxy của claynano M1 (Bình Thuận) tốt hơn nhiều so với M2 (Lâm Đồng). Hình 2.19. Phổ đồ nhiễu xạ tia X của epoxy-claynano Lâm Đồng và Bình Thuận với tỷ lệ 5% phần khối lượng claynano so với nhựa epoxy Hình 2.19 là phổ đồ của 2 loại clay này sau khi phối trộn với epoxy với tỷ lệ 5%. Peak tại 2 = 20, cho khoảng cách cơ bản d001 lần lượt là 33,83 A 0 và 29,191A 0. Như vậy là khoảng cách d001 có sự thay đổi đáng kể, điều này cho thấy có sự khuếch tán của epoxy vào claynano. Song ở M2 giá trị d001 gia tăng 16 đột biến, TEM cho thấy ảnh nhiều kết búi màu đen của claynano. Ảnh TEM của M1 cho thấy sự khuếch tán đều đặn của claynano trong epoxy. Hình 2.20. Phổ đồ nhiễu xạ tia X của epoxy-claynano Lâm Đồng và Bình Thuận với tỷ lệ 6% phần khối lượng claynano so với nhựa epoxy Hình 2.20 là đồ phổ của 2 loại clay này sau khi phối trộn với epoxy với tỷ lệ 6%. Peak tại 2 = 20, cho khoảng cách cơ bản d001 lần lượt là 53,23 A 0 và 36,51A 0 . Khoảng cách d001 có sự thay đổi đột biến ở cả 2 mẫu, điều này có nghĩa là có sự khuếch tán của claynano vào epoxy. Song ảnh TEM cho thấy nhiều kết búi màu đen của claynano. Do đó, mà sự khuếch tán này là điều không mong muốn vì chúng thể hiện không có sự bong tróc của các lớp claynano. Phổ đồ 4% của claynano Lâm Đồng và Bình Thuận trong epoxy cũng gần tương tự như 5% của claynano Lâm Đồng và Bình Thuận trong epoxy và ảnh TEM cũng cho thấy điều đó, nên NCS không trình bầy ở đây để tránh trùng lặp và chỉ xin trình bầy những vấn đề đặc trưng. Từ những kết quả nghiên cứu trên đây có thể rút ra một số kết luận như sau: - Thành công bước đầu việc hữu cơ hóa biến tính khoáng sét Lâm Đồng và Bình Thuận. - Phối trộn thành công clay của Lâm Đồng và Bình Thuận ở nhiệt độ thường trong epoxy nền với kích thước nanomet dạng bóc lớp. - Tỷ lệ claynano của 2 loại khoáng sét này trong epoxy nền từ 2% ÷ 5% theo trọng lượng là tương đối phù hợp. - Giá trị khoảng cách cơ bản d001 của clay Lâm Đồng khi phối trộn với epoxy không ổn định, thay đổi thất thường và ngược lại clay Bình Thuận ổn định hơn, hay nói cách khác claynano Lâm Đồng kém hơn claynano Bình Thuận. 2.2.5. Kiểm tra tính chất cơ lý của nhựa nền 17 Mẫu được kiểm tra theo tiêu chuẩn ISO 527-4:1997 tại Trung tâm đo lường tiêu chuẩn khu vực I. Kết quả được thể hiện trên hình 2.22 và hình 2.23. Hình 2.22. Ứng suất kéo nhựa nền với các tỷ lệ khác nhau của claynano Bình Thuận trong nhựa epoxy Hình 2.23. Ứng suất kéo nhựa nền với các tỷ lệ khác nhau của claynano Lâm Đồng trong nhựa epoxy Từ những kết quả thí nghiệm trên hình 2.22 và hình 2.23, cho thấy vật liệu nền khi sử dụng 5% claynano Bình Thuận đạt giá trị ứng suất kéo cực đại (327,29N/mm 2). Còn với claynano Lâm Đồng cho vật liệu nền đạt gía trị ứng suất kéo cực đại tại tỷ lệ 3%, nhưng giá trị ứng suất kéo thấp (210,20N/mm2). Trong khuôn khổ của luận án, nghiên cứu sinh lựa chọn claynano Bình Thuận sau khi được hữu cơ hoá, để phân tán vào epoxy-828 bằng phương pháp cán trộn cơ học với tỷ lệ 5% theo khối lượng epoxy, dùng làm nhựa nền để nghiên cứu chế tạo thanh cốt neo chống giữ công trình ngầm. 2.2.6. Khảo sát khả năng bám dính giữa nhựa epoxy-claynano với sợi thuỷ tinh trong vật liệu polyme-clay nanocompozit Độ kết dính giữa các pha và cấu trúc hình thái của vật liệu được khảo sát trên kính hiển vi điện tử quét (SEM). Ảnh chụp trên bề mặt gẫy của mẫu trên hình 2.26. Hình 2.26. Ảnh SEM chụp trên bề mặt gẫy của mẫu 30%, 40%, 50%, 60% và 70% phần khối lượng sợi thủy tinh trong vật liệu compozit Độ kết dính của nhựa trên các tỷ lệ sợi thuỷ tinh khác nhau cũng rất khác nhau thể hiện trên ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM). Ở tỷ lệ 50% ÷ 60% phần khối lượng sợi thuỷ tinh cho ta thấy độ bám dính của nhựa trên bề mặt sợi là đều đặn và tốt nhất. Với tỷ lệ 70% phần khối lượng sợi thủy tinh ta thấy độ kết dính là rất kém, hầu như không còn vết nhựa trên bề mặt sợi thuỷ tinh. Ở đây còn thấy bề mặt tiếp xúc của nhựa với sợi thuỷ tinh rất trơn nhẵn, thể hiện tương tác yếu của hai pha trên bề mặt phân chia. 2.2.7. Khảo sát sự phân bố sợi thủy tinh trong pha nền epoxy-claynano 18 Quan sát mặt cắt của vật liệu bằng kính hiển vi kim tương theo các tỷ lệ thí nghiệm 30%, 40%, 50%, 60% và 70% phần khối lượng sợi thủy tinh trong vật liệu compozit với độ phóng đại 25 lần (hình 2.27). Hình 2.27. Ảnh kính hiển vi kim tương với độ phóng đại 25 lần Với hàm lượng 50% ÷ 60% sợi, có thể quan sát thấy sự phân bố sợi và nhựa tương đối đồng đều trong vật liệu tổ hợp. 2.2.8. Kiểm tra khả năng chịu kéo của vật liệu với các tỷ lệ sợi khác nhau Đã tiến hành kiểm tra khả năng bền kéo của vật liệu theo tiêu chuẩn ISO 527-4, thực hiện kéo mẫu trên máy kéo nén T-50 của Liên Xô (cũ). Tại đồ thị hình 2.30 cho thấy vật liệu đạt giá trị cực đại ở giá trị hàm lượng 60% phần khối lượng sợi thuỷ tinh. 2.2.9. Kiểm khả năng chịu cắt của vật liệu với các tỷ lệ sợi khác nhau Để xác định lực cắt của vật liệu polyme-compozit, theo tiêu chuẩn ASTM 4475-96. Tại đồ thị hình 2.32 cho thấy vật liệu đạt giá trị cực đại ở giá trị hàm lượng 60% phần khối lượng sợi thuỷ tinh. Hình 2.30. Đồ thị tương quan ứng suất kéo với các tỷ lệ sợi thủy tinh Hình 2.32. Đồ thị quan hệ ứng suất cắt với các tỷ lệ sợi thủy tinh Nhận xét: Khi hàm lượng sợi thủy tinh E của Trung Quốc, từ 50%÷60% phần khối lượng của tổ hợp nhựa epoxy-828 với 5% claynano Bình Thuận, sản phẩm epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh có độ bền kéo tương đương với thép xây dựng CT5 và độ bền cắt thấp hơn so với loại thép này. 2.2.10. Kiểm tra khả năng bám dính của cốt neo với chất kết dính Lựa chọn chất kết dính do Viện Khoa học công nghệ Mỏ sản xuất, chất dẻo sử dụng là loại K 2335. Tốc độ của máy lắp đặt neo được xác định là 400 19 vòng/phút và thời gian quay là 25 giây. Thời gian giữ là 60 giây. Mô hình thí nghiệm như hình 2.33 và kết quả được trình bày trong bảng 2.9. - Thời gian kéo tất cả các vì neo đều sau 24 giờ kể từ khi lắp đặt. - Mẫu bê tông kích thước 200x200x400mm mác bê tông 10 MPa. Hình 2.33. Mẫu thử nghiệm khả năng bám dính của neo epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh Bảng 2.9. Số liệu thí nghiệm kéo neo thử nghiệm tính bám dính TT Đường kính thanh neo (mm) Đường kính lỗ khoan (mm) Chiều dài chất dẻo kết dính (cm) Tải trọng cực đại (kN) 1 22 28 30,5 97 2 22 28 32,0 95 3 22 28 31,5 89 4 22 28 29,5 71 5 22 28 31,0 95 6 22 28 28,5 79 7 22 28 28,0 95 8 22 28 29,0 79 9 22 28 28,0 87 10 22 28 29,0 79 11 22 28 28,5 10 12 22 28 29,5 97 13 22 28 29,0 11 14 22 28 28,0 87 15 22 28 29,5 92 Kết luận: Kết quả ban đầu của cốt neo epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh với chất kết dính dẻo do Viện KHCN Mỏ sản xuất đạt yêu cầu kỹ thuật. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH NEO VÀ CHỐNG THỬ NGHIỆM Được sự đồng ý của Công ty TNHH than Hồng Thái, Công ty than Uông Bí-TKV; Phòng Xây dựng mỏ và Viện KHCN mỏ, NCS đã tiến hành thử nghiệm chống lò dọc vỉa đá V10 mức +30 khu Tràng Khê II bằng thanh cốt epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh xen kẽ giữa các hàng neo chất dẻo cốt thép theo hộ chiếu chống lò và dây chuyền công nghệ đang thi công tại đây (như hình 3.1 và bảng 3.1). 3.1.Vị trí, điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn đường lò chống thử nghiệm 20 Lò dọc vỉa đá vỉa 10 mức +30 quay Đông nằm trong phạm vi khu Tràng Khê II, III - Công ty TNHH than Hồng Thái, thuộc địa bàn xã Hoàng Quế, huyện Đông Triều, tỉnh Quảng Ninh được giới hạn trong toạ độ sau: X = 390.400  390.600 Y = 32.800  33.000 Điều kiện địa chất công trình Tầng chứa than khu Tràng Khê II, III bao gồm: các loại sét than, sét kết, bột kết, cát kết, cát kết lẫn sạn kết. Sự phân bố các loại đá dưới dạng thấu kính, các lớp với độ dày khác nhau. Mỗi loại đá được đặc trưng bởi thành phần, kiến trúc và độ bền khác nhau. Điều kiện địa chất thuỷ văn Nước mặt Khu Tràng Khê II, III có suối Tràng Khê II cách khu vực khai thác về phía Đông Nam từ 500  1000m, quanh năm nước chảy với lưu lượng đo được như sau: Qmax = 29,020 (m 3 /s) Qmin = 1,58 (m 3 /s) Nước ngầm Các thông số địa chất thuỷ văn chủ yếu như sau: - Độ cao mực nước tĩnh: Z+200 = 255m; Z+115 = 245m; Z+30 = 245m - Hệ số thấm: Ktb = 0,05m/ng.đ; Kmax = 0,103m/ng.đ. Nước dưới đất có độ pH = 6  7, hàm lượng CO2 = 10  15mg/l, hàm lượng sắt từ 0,3  13mg/l, thuộc loại axit yếu. 3.2. Cơ sở lựa chọn và hộ chiếu chống lò Hiện tại, đường lò dọc vỉa đá mức + 30 vỉa 10 - khu Tràng Khê III được bố trí trong lớp đá trụ và cách vỉa than khoảng 30  40m, trung bình 35m. Như vậy, đường lò này nằm ngoài vùng ảnh hưởng và tác động của áp lực tựa lò chợ. Công tác thiết kế chống neo, phun bê tông trong các đường lò thường dựa vào các số liệu khảo sát địa chất, đo đạc ban đầu và khi cần thiết sẽ được điều chỉnh thay đổi sao cho phù hợp với điều kiện địa chất thực tế trong suốt quá trình thi công. Trên hình 3.1 là mặt cắt ngang đặc trưng của hộ chiếu chống lò dọc vỉa đá V10 + 30 quay Đông khu Tràng Khê II. Bảng 3.8 là các thông số kỹ thuật cơ bản của hộ chiếu chống lò. 21 Hình 3.1. Mặt cắt ngang hộ chiếu chống lò dọc vỉa đá V10 + 30 quay Đông khu Tràng Khê II Bảng 3.8. Bảng tính toán các thông số kỹ thuật của hộ chiếu chống neo [17] TT Nội dung Kí hiệu Đơn vị Giá trị Lò DV đá +30/V10 Đoạn mở rộng 1 Chiều cao sụt lở theo Tximbarevic b m 0,83 0,91 Chiều rộng nửa đường lò a m 2,00 2,20 Chiều cao đường lò h1 m 3,03 3,15 Góc ma sát trong của đá φ độ 75,96 75,96 Hệ số trung bình của đất đá f - 4,00 4,00 Hệ số an toàn kat - 1,40 1,40 2 Chiều dài thanh neo ln m 1,35 1,43 3 Tải trọng nóc qn kN/m 2 21,7 23,6 4 Mật độ neo S neo/m2 0,70 0,76 5 Hệ số vượt tải nóc np - 1,20 1,20 6 Khả năng chịu tải của vì neo Pn kN/neo 37,3 37,3 7 Khoảng cách giữa các neo a m 1,20 1,15 Tính toán, lựa chọn các thông số của vì neo chất dẻo cốt thép - Số vì neo trong 1 vòng: 6 neo. - Chiều sâu lỗ khoan neo: 1300 mm. - Chiều dài thanh cốt neo: 1400 mm. - Đường kính cốt thép xoắn: Φ22 mm. - Khoảng cách giữa các neo trong vòng: 1,0 m. - Khoảng cách các vòng neo: 1,0 m. 3.3. Thanh cốt neo epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh chống thử nghiệm tại hiện trường Thanh cốt neo epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh có những thông số cơ bản sau đây: - Tổ hợp polyme nền gồm epoxy-828 có chứa 5% claynano Bình Thuận. - Sợi thủy tinh E Trung Quốc với hàm lượng từ 50%÷60% phần khối lượng. 22 - Sản phẩm vật liệu epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh tạo ra, là dạng thanh tròn, có đường kính 22mm. NCS lựa chọn đường kính này là để có thể so sánh tương đương với thép vẫn sử dụng làm thanh cốt neo. - Thân neo được gia công có rãnh xoắn. Đầu thanh neo được bịt thép tiện ren, chiều dài 100mm như hình 3.2. Lựa chọn các thông số của vì neo epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh như sau: Mặt cắt hộ chiếu chống neo epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ như hình 3.3. - Số vì neo trong 1 vòng: 6 neo. - Chiều sâu lỗ khoan neo: 1300 mm. - Chiều dài thanh cốt neo: 1400 mm. - Đường kính cốt neo: Φ22 mm. - Khoảng cách giữa các neo trong vòng: 1,0 m. - Khoảng cách các vòng neo: 1,0 m. Hình 3.2. Một số hình ảnh mô tả quá trình gia công chế tạo thanh cốt neo 3.4. Chống thử nghiệm tại hiện trường Hình 3.3. Sơ đồ khoan, lắp đặt neo epoxy-clay nonocompozit cốt sợi thủy tinh - Hộ chiếu chống giữ với bước chống của vì neo là 1m x 1m (được khoan, lắp đặt xen giữa hai vòng neo chất dẻo cốt thép đã được thi công từ K 400 K 403). Chiều dài thanh neo là 1,4 m. Đường kính cốt neo là 22 mm. Chiều sâu lỗ khoan là 1,3 m. Đường kính lỗ khoan 32mm. Số lượng thanh neo trong một vòng là 6 neo. Số lượng vòng neo là 3 vòng (18 thanh neo). Sử dụng 01 thỏi chất dẻo mã hiệu CK2335 do Viện KHCN Mỏ sản xuất trên dây chuyền công nghệ của Trung Quốc làm chất kết dính cho mỗi lỗ neo. - Về dây chuyền công nghệ thi công và biện pháp an toàn, tương tự với thi công lắp đặt neo chất dẻo cốt thép của Viện Khoa học Công nghệ mỏ - TKV đang được áp dụng tại công ty TNHH Hồng Thái - Công ty than Uông Bí - TKV. Hình 3.4 mô tả dây chuyền công nghệ thi công lắp đặt vì neo cốt epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh tại hiện trường. 23 Hình 3.4. Một số hình ảnh mô tả dây chuyền công nghệ thi công lắp đặt vì neo cốt epoxy - clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh tại hiện trường - Thời gian lắp đặt 1 thanh neo: trung bình 1 phút/1 neo (các vị trí). - Đã lắp đặt được 16 thanh neo cho 3 vòng: vòng thứ nhất: 6 thanh; vòng thứ 2: 5 thanh; vòng thứ 3: 5 thanh. - Tại vòng số 2 và số 3 (sát gương), ở hai vị trí neo hông, sau một phút khuấy trộn chất kết dính, chúng tôi thực hiện thử nghiệm mô men xoắn của thanh cốt neo bằng cách cho máy khoan tiếp tục xoay (đuôi neo đã được ngàm cứng bởi chất kết dính) đến khi đầu thanh neo bị đứt tại vị trí miệng lỗ khoan. 3.5. Thử nghiệm khả năng mang tải của thanh neo Sau khi chống hoàn tất 3 vòng neo thử nghiệm, 48 giờ sau, tiến hành kéo rút thử nghiệm khả năng mang tải của vì neo với xác xuất 5% tổng số neo chống thử nghiệm và ở những vị trí khác nhau trong một vòng neo bằng thiết bị kích kéo PA-3 do Liên Xô cũ sản xuất (hình 3.5). Kết quả thử nghiệm tại bảng 3.9. Hình 3.5. Một số hình ảnh mô tả quy trình kéo rút thử nghiệm khả năng mang tải của vì neo thanh cốt epoxy-clay anocompozit cốt sợi thủy tinh Bảng 3.9. Kết quả thử nghiệm khả năng mang tải của thanh neo TT Vị trí Lực kéo (kN) Ghi chú 1 Thanh neo số 1, vòng thứ nhất 66,7 2 Thanh neo số 2, vòng thứ nhất Kiểm tra mô men xoắn 3 Thanh neo số 3, vòng thứ nhất Không lắp đặt được kích kéo 4 Thanh neo số 4, vòng thứ nhất 51,3 5 Thanh neo số 5 vòng thứ nhất 58,9 6 Thanh neo số 6, vòng thứ nhất Không lắp đặt được kích kéo 7 Thanh neo số1, vòng thứ 2 Kiểm tra mô men xoắn 8 Thanh neo số 2, vòng thứ 2 55,0 9 Thanh neo số 3, vòng thứ 2 Không lắp đặt được kích kéo 10 Thanh neo số 4, vòng thứ 2 58,9 11 Thanh neo số 5, vòng thứ 2 Không lắp đặt được kích kéo 12 Thanh neo số 1, vòng số 3 51,5 13 Thanh neo số 2, vòng số 3 66,7 14 Thanh neo số 3, vòng số 3 Không lắp đặt được kích kéo 15 Thanh neo số 4, vòng số3 58,9 16 Thanh neo số 5, vòng số 3 62,8 24 Bảng 3.10. Kết quả thử nghiệm khả năng mang tải của neo chất dẻo cốt thép TT Nội theo yêu cầu Áp lực dầu (MPa) Giá trị lực kéo (kN) Ghi chú 1 Rút thử tải bộ neo số 1 30 87,1 Đứt đuôi neo 2 Rút thử tải bộ neo số 2 30 87,1 Đứt đuôi neo 3 Rút thử tải bộ neo số 3 31 90 Ren neo bị phá hủy 4 Rút thử tải bộ neo số 4 32 92,9 Ren neo bị phá hủy 5 Rút thử tải bộ neo số 5 32 92,9 Ren neo bị phá hủy 6 Rút thử tải bộ neo số 6 30 87,1 Ren neo bị phá hủy 7 Rút thử tải bộ neo số 7 28 81,3 Đứt đuôi neo 8 Rút thử tải bộ neo số 8 29 84,2 Ren neo bị phá hủy 9 Rút thử tải bộ neo số 9 28 81,3 Ren neo bị phá hủy 10 Rút thử tải bộ neo số 10 29 84,2 Ren neo bị phá hủy So sánh với số liệu kéo rút thử neo chất dẻo cốt thép của phòng Xây dựng Mỏ, Viện KHCN mỏ, tại lò dọc vỉa đá V10 mức +30 khu Tràng Khê II, tại K380 ÷ K390, Công ty Than Hồng Thái tại bảng 3.10, cho thấy khả năng mang tải của vì neo epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh hoàn toàn có thể đáp ứng yêu cầu thực tế, vượt tải thiết kế cho một neo 2,5 lần mà không bị phá hủy và tương đương thanh neo chất dẻo cốt thép. Từ những vấn đề đã trình bầy như trên và qua kết quả chống thử nghiệm và kiểm tra khả năng mang tải của thanh neo, có thể rút ra một số kết luận sau: - Vật liệu epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh hoàn toàn có thể dễ dàng gia công chế tạo thanh cốt neo để chống giữ công trình ngầm và mỏ. - Dây chuyền công nghệ, thiết bị thi công và chất kết dính được sử dụng lắp đặt vì neo hoàn toàn như khi thi công lắp đặt vì neo chất dẻo cốt thép. - Các thông số kỹ thuật sau khi thử nghiệm cho thấy phù hợp và tương đương như neo chất dẻo cốt thép đang được sử dụng, nhưng năng suất lao động được cải thiện một cách đáng kể: trọng lượng nhẹ, lắp đặt đơn giản, không bị ăn mòn trong quá trình bảo quản và sử dụng… - Theo đánh giá sơ bộ thì giá thành chống giữ 1m lò bằng thanh cốt neo epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh không cao hơn so với 1m lò chống bằng vì neo chất dẻo cốt thép. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1- Ổn định được công nghệ biến tính montmorillonit từ bentonit của Lâm Đồng và Bình Thuận với quy mô phòng thí nghiệm. 2- Thành công trong việc đưa “clay” với kích thước nanomet vào nền epoxy, từ đó đánh giá được ưu điểm của vật liệu có cấu trúc nanomet đã chế tạo được so với các vật liệu có cấu trúc thông thường cùng loại. 25 3- Xác định được tỷ lệ “clay” tối ưu theo khối lượng khi phối trộn với epoxy nền là 5%. 4- Sử dung 40% nhựa nền epoxy-clay nanocompozit (có hàm lượng 5% claynano) và 60% sợi thủy tinh E có thể gia công chế tạo thanh cốt neo để chống giữ công trình ngầm và mỏ. 5- Khả năng mang tải của vì neo epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh chất dẻo có thể đáp ứng yêu cầu thực tế, vượt tải thiết kế cho một vì neo 2,5 lần mà không bị phá hủy (thanh cốt neo không bị đứt). Những kiến nghị 1- Cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo gia công thanh cốt neo. 2- Cần tiếp tục nghiên cứu chế tạo và sản xuất với quy mô công nghiệp thanh cốt neo epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh để sử dụng trong xây dựng nói chung, xây dựng công trình ngầm nói riêng.