NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYME-CLAY NANOCOMPOZIT ĐỂ CHẾ TẠO THANH CỐT NEO CHỐNG GIỮ CÔNG TRÌNH NGẦM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT



NGUYỄN MẠNH KHẢI


NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU
POLYME-CLAY NANOCOMPOZIT ĐỂ CHẾ TẠO
THANH CỐT NEO CHỐNG GIỮ CÔNG TRÌNH NGẦM


Chuyên ngành : Xây dựng công trình ngầm và mỏ
Mã số : 62.58.50.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT


HÀ NỘI – 2012
Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Xây dựng công trình Ngầm và Mỏ,
Khoa Xây dựng Trường Đại học Mỏ - Địa chất


Người hướng dẫn khoa học:
GS. TS Nguyễn Quang Phích


Phản biện 1: PGS.TS. Bạch Trọng Phúc

Phản biện 2: PGS.TS. Ngô Thị Xuân Hằng

Phản biện 3: TS. Phạm Mạnh Hào



Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án cấp Trường
tại trường Đại học Mỏ - Địa chất

Vào hồi ……… ngày ……. tháng …… năm 2012

Có thể tìm hiểu Luận án tại:
- Thư viện Quốc gia.
- Thư viện Khoa học kỹ thuật Trung ương.
- Thư viện trường Đại học Mỏ - Địa chất.
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

1. Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Quang Phích, Nguyễn Văn Mạnh, Lê Văn
Công (2012), “Một phương pháp thiết kế neo dính kết theo nguyên lý
gia cố khối đá”. Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 37, tr. 39-43.

2. Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Quang Phích, Vũ Tân Cảnh (2010),
“Nghiên cứu lựa chọn khoáng vật sét để chế tạo thanh neo bằng vật
liệu polyme-clay nanocompozit”. Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 31,
tr. 84-87.

3. Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Văn Hậu (2003), “Một số kết quả nghiên
cứu ban đầu về bê tông cốt sợi thực vật có thể sử dụng trong nghành
mỏ”. 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 M
x
(Al
4-x
Mg
x
)Si
8
O
20
(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 9,6A
0
. 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 15A
0
. 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 10A
0
đến 20A

0
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 30A
0
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 80
0
C. 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 (C
10
H
21

)
2
(CH
3
)
2
NCl) 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 80
0
C 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 80
0
C qua phễu lọc chân không, đến
khi thử bằng dung dịch AgNO
3
(5%) đến khi hết ion clorua tự do, để khô trong
không khí, sau đó sấy trong chân không ở 50
0
C÷55
0
C 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 90
0
C, thời gian khoảng 30
phút. Được để nguội đến 25
0
C. 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 80
0
C trong 4 giờ và để ổn

10
định 24 giờ tại nhiệt độ phòng 25
0
C. 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 =1
0
7
0
đặc trưng cho montmorillonit, khoảng
cách cơ bản của mont. Lâm Đồng d
001
= 26,103 A

0
với cường độ bước sóng
500Cps, còn của mont. Bình Thuận d
001
= 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
d
001
(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
(M
1
), Lâm Đồng (M
2
) như sau:
- Tỷ lệ 1% như hình 2.10 cho thấy phân tán không đều, thưa ít, đặc biệt là
mẫu M
2
kết búi, phân tán trong epoxy kém, mẫu M
1
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 (M
1
) 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 M
1
vẫn có độ phân tán tốt hơn mẫu M

2
.

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
M
1
không đáng kể, mẫu M
2
thì rất rõ với những đám đen lớn và mẫu M
1
cho
thấy có độ phân tán tốt hơn mẫu M
2
.


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 M
2
, nhưng mức độ
thấp hơn so với mẫu cùng loại ở 4%, và mẫu M
1
cho thấy có độ phân tán tốt hơn
hẳn so với mẫu M

2
.


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 M
1
cho thấy có
độ phân tán vẫn tốt hơn so với mẫu M
2
.


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 M
1

tốt hơn nhiều so với claynano từ bentonit M
2
.

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 = 2
0

thì khoảng cách cơ bản d
001
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 d
001
của clay Lâm Đồng, Bình Thuận, lần lượt là 27,924 A
0
và 27,499A
0
.
Như vậy là khoảng cách d
001
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: M
2
có sự khuếch tán của epoxy trong claynano. Còn M
1
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 = 2
0
, khoảng cách cơ bản d
001
lần lượt là 21,280 A
0
và
28,374A
0
. Như vậy là khoảng cách d
001
có sự thay đổi: đối với clay Lâm Đồng,
d
001

còn nhỏ đi, TEM cho thấy phần lớn ảnh là màu đen kết búi của claynano. Với
clay Bình Thuận, d
001
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 M
1
(Bình Thuận) tốt hơn nhiều so với M
2
(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 = 2
0
, cho khoảng cách cơ bản d
001
lần lượt là 33,83 A
0
và
29,191A
0
. Như vậy là khoảng cách d
001
có sự thay đổi đáng kể, điều này cho
thấy có sự khuếch tán của epoxy vào claynano. Song ở M
2

giá trị d
001
gia tăng

16
đột biến, TEM cho thấy ảnh nhiều kết búi màu đen của claynano. Ảnh TEM của
M
1
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 = 2
0
, cho khoảng cách cơ bản d
001
lần lượt là 53,23 A
0
và
36,51A
0
. Khoảng cách d
001
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 d
001
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/mm
2
). 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:
Q
max
= 29,020 (m
3
/s)
Q
min
= 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: K
tb
= 0,05m/ng.đ; K
max
= 0,103m/ng.đ.
Nước dưới đất có độ pH = 6  7, hàm lượng CO
2
= 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
h
1

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
k
at

-
1,40
1,40

2
Chiều dài thanh neo
l
n

m
1,35
1,43
3
Tải trọng nóc
q
n

kN/m
2

21,7
23,6
4
Mật độ neo
S
neo/m
2

0,70
0,76
5
Hệ số vượt tải nóc
n
p

-
1,20
1,20
6
Khả năng chịu tải của vì neo
P
n

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.