Tiến Sĩ Nghiên cứu vật liệu polyme-clay nanocompozit để chế tạo thanh cốt neo chống giữ công trình ngầm

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 polymecompozit 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
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.
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
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA NỀN, THANH CỐT NEO VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH NEO VÀ CHỐNG THỬ NGHIỆM