Phương pháp nhiệt vi sai xác định tuổi thọ của ống địa kỹ thuật xây dựng đê

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016

41

PHƯƠNG PHÁP NHIỆT VI SAI XÁC ĐỊNH TUỔI THỌ CỦA ỐNG
ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐÊ
DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY METHOD TO DETERMINE THE
LIFE TIME OF GEOTUBE USED FOR DIKE CONSTRUCTION
Vương Quang Việt
Viện Nhiệt đới môi trường
Tóm tắt: Tuổi thọ của vật liệu chế tạo ống địa kỹ thuật quyết định thời gian làm việc của đê xây
dựng bằng ống địa kỹ thuật nhồi cát. Độ chính xác của phép dự báo phụ thuộc vào phương trình dự
báo có phản ánh đầy đủ các yếu tố khí hậu, thời tiết, môi trường, điều kiện sử dụng ... tác động lên
ống địa kỹ thuật và tiêu chuẩn hư hỏng mẫu được lựa chọn có tiêu biểu hay không. Việc gia tốc quá
trình lão hóa cho phép đánh giá nhanh hơn quá trình phá hủy của vật liệu. Bài viết trình bày kết quả
dự báo tuổi thọ sử dụng của ống địa kỹ thuật theo phương pháp nhiệt vi sai.
Từ khoá: Tuổi thọ, vật liệu dệt PES.
Abstract: The life time of geotube materials determines the work life of sand-filled geotube
containment dykes. Accuracies of predictions depend on whether the prediction equation sufficiently
includes the factors that impact on geotube such as climate, weather, environment and use conditions
and whether the selected sample damage criteria are typical. Acceleration of aging enables quicker
evaluation of material decomposition. This article shows results of geotube life time prediction with a
differential scanning calorimetry method.
Key words: Lifetime, PES textile material.

1. Giới thiệu
Vật liệu dệt polyeste (PES) thường được
dùng trong chế tạo ống địa kỹ thuật nhồi cát
xây dựng đê do một số ưu điểm vượt trội là
độ bền cơ học cao, chịu nhiệt, kháng UV,
khó bị thủy phân trong nước,... . Tuổi thọ của

đê phụ thuộc vào tuổi thọ của ống địa kỹ
thuật xây dựng đê - đây là khoảng thời gian
liên tục tính từ khi đê được xây dựng (ống
địa kỹ thuật chịu tác động của điều kiện sử
dụng cũng như của môi trường sử dụng) cho
đến khi bị hư hỏng căn cứ theo một tiêu
chuẩn nào đó. Phương pháp xác định thời
gian làm việc tốt nhất là phơi mẫu hiện
trường tuy nhiên tiêu tốn nhiều thời gian. Vì
vậy cần đến phương pháp gia tốc quá trình
lão hóa hoặc các phiên bản của nó. Độ chính
xác của phép dự báo phụ thuộc vào phương
trình dự báo có phản ánh đầy đủ các yếu tố
khí hậu, thời tiết, môi trường, điều kiện sử
dụng ... tác động lên ống địa kỹ thuật và tiêu
chuẩn hư hỏng mẫu được lựa chọn có tiêu
biểu hay không [1, 2]. Mục tiêu của nghiên
cứu là sử dụng phương pháp nhiệt vi sai dự
báo thời gian hoặc tuổi thọ của vật liệu chế
tạo ống địa kỹ thuật. Bài báo này trình bày
một số kết quả nghiên cứu về tuổi thọ của vật

liệu dệt PES làm ống địa kỹ thuật – bằng
phương pháp nhiệt vi sai (DTA).
2. Phương pháp nghiên cứu
2.1. Nguyên vật liệu
Vải polyester GM200 Hàn Quốc có các
thông số chính sau: Trọng lượng: 600 g/m2;
độ bền kéo đứt theo chiều dọc và ngang: >
200 kN/m; độ dãn dài khi đứt theo chiều dọc

và ngang < 15 %; hệ số thấm: 10-5 m/s; kích
thước lỗ O90: 0,075 mm; khổ rộng: 3,6 m;
chiều dày: 2 mm.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Phân tích nhiệt vi sai trên thiết bị:
Netzsch STA 409 PC với detector DTG-60;
Chế độ: Môi trường phân tích khí argon,
thực hiện với các chế độ gia nhiệt: 2,5; 5,0;
7,5; 10,0 oC/phút tại Phòng Thí nghiệm Đại
học Bách khoa Hà Nội.
Thử nghiệm động học phân hủy trọng
lượng nhiệt dựa vào phương pháp
Ozawa/Flynn/Wall theo ASTM: E1641 - 15
[3].
Tính toán bền nhiệt của vật liệu từ số
liệu phân hủy trọng lượng nhiệt theo ASTM:
E1877 - 15 [4].
3. Kết quả và thảo luận


42

Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016

3.1. Xây dựng giản đồ tương quan logv
– giản đồ Arrhenius
Kết quả phân tích DTA trong môi trường
argon với các tốc độ gia nhiệt khác nhau
được trình bày trên giản đồ hình 1.

Xác định năng lượng hoạt hóa của quá
trình theo ASTM: E1877-15.
Phương trình năng lượng có dạng:
R

E = b.a

Trong đó:
E: Năng lượng hoạt hóa Arrhenius
(J/mol);
R: Hằng số khí = 8,31451 J/(mol K);
a: Hệ số góc (theo ASTM: E1641-15):
a=

Hình 1. Giản đồ DTA của mẫu vật liệu GM200 trong
môi trường argon.

Từ kết quả phân tích DTA, chọn mức độ
phân hủy 10 % để tính toán với các tốc độ
gia nhiệt v tương ứng 2,5; 5,0; 7,5; 10,0
o
C/phút. Xác định các nhiệt độ giảm khối
lượng tương ứng. Kết quả trình bày trong
bảng 1.
Bảng 1. Giá trị logv và nhiệt độ.
Tốc độ
Logv
Nhiệt
Nhiệt
gia nhiệt

độ
độ
v
phân
phân
(oC/phút)
hủy
hủy
(oC)
(oK)
2,5
0,3979
385
658
5
0,6990
404
677
7,5
0,8751
408
681
10
1,0000
413
686

1000/T

Xây dựng giản đồ Arrhenius - tương

quan logv = f(1000/T) trình bày trong hình 2.

∆(logv)
1
T

∆( )

= 10.000;

b từ bảng cho trước và lần đầu lấy giá trị
b = 0,4570
Thay vào tính:
8,314

E = 0,457 . 10.000 = 181.926 J/mol
Tính lặp lại:

E

191.926

= 8,314x677 = 32,3218
RT

tra bảng  b = 0,461
Tính lại E:
8,314

E = 0,461 . 10.000 = 180.347 J/mol

Kết quả này cho chênh lệch nhỏ hơn 1
%. Chấp nhận kết quả này: E=180.347
(J/mol);
E

1,5189
1,4771
1,4684
1,4578

(2)

RT

= 32,3218;

B = 0,461 ở nhiệt độ 404 oC hay 677 oK.
3.2. Xây dựng giản đồ chịu nhiệt của
vật liệu
Giản đồ chịu nhiệt của vật liệu ống địa
kỹ thuật được xây dựng theo ASTM: E187715.
Phương trình chịu nhiệt của vật liệu có
dạng:
E

E

log[t] = (2,303.R.T) + log Rv − a

(3)

𝐸

Với 𝑅𝑇 = 32,3218 nằm giữa 32 và 33,
tra bảng lấy giá trị gần đúng: a=17,0802; v =
5 oC/phút; thay các giá trị vào phương trình
(3) ta có:

Hình 2. Giản đồ Arrhenius.

1

Đường hồi quy tuyến tính của giản đồ có
dạng:
1

logv = −10.000. T + 15,5500

(1)

logt = 9419. T − 13,4429
(4)
Trong đó:
t tính bằng phút;
Hệ số chuyển đổi sang năm bằng
(t/60.24.365) = t(1,9026.10-6) (năm).


TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016

Kết quả tính với dải các nhiệt độ khác
nhau, chuyển đổi về thời gian năm trong
bảng 2 và trình bày trong hình 3 với trục
logarit thời gian.

Thời gian chịu nhiệt (năm)

Bảng 2. Thời gian chịu nhiệt ở các nhiệt độ.
T
T
Logt
t (phút)
t (năm)
(oC) (oK)
120
393
10,5240
3,341950.1010
63.584
140
413
9,3634
2,308872.109
4.393
160
433
8,3100
204,174.106
388,5
180

453
7,3500
22,38721.106
42,59
200
473
6,7704
5,893862.106
11,2
240
513
4,9177
82,737.103
0,1574
100000
10000
1000
100
10
1
0.1

100

150

200

250

Nhiệt độ (oC)

Hình 3. Tương quan giữa nhiệt độ môi trường và
thời gian chịu nhiệt của vật liệu.

Qua đồ thị có thể thấy vật liệu PES có độ
bền nhiệt cao: Trên 100 oC vật liệu có thời
gian chịu nhiệt giảm nhanh, nhưng cũng rất
dài: Ở khoảng 180 oC thời gian chịu nhiệt
của vật liệu còn tới 42,6 năm. Thực tế vật
liệu làm việc trong khoảng nhiệt độ cực đoan
chỉ tới khoảng 70 – 90 oC ngoài trời còn khá
thấp so với môi trường thử nghiệm.
4. Kết luận
Trước khi được sử dụng phổ biến như
ngày hôm nay, độ bền của vải địa đã là một
chỉ tiêu quan trọng (có thể là lớn nhất) được
các nhà thiết kế ứng dụng quan tâm từ ngay
ban đầu. Tuổi thọ của công trình ứng dụng
thường dài: theo Sở Giao thông vận tải (UK)
là 120 năm [5], các công trình tại Việt Nam
được yêu cầu (không chính thức) là trên 20
năm.
Phương pháp nhiệt vi sai chỉ tính ảnh
hưởng nhiệt độ của môi trường đến quá trình
lão hóa của vật liệu làm ống địa kỹ thuật,
nhưng nó cho ta thấy sự lựa chọn PES làm
nguyên liệu chế tạo ống địa kỹ thuật là chính
xác khi xét về tuổi thọ của đê. Điều này hoàn

43

toàn xác đáng vì nhiệt độ là một trong số các
yếu tố chính gây nên lão hóa vật liệu polyme.
Các dữ liệu của đường nhiệt động xác
định bằng phương pháp nhiệt vi sai khẳng
định các kết quả xác định tuổi thọ của vật
liệu dệt này bằng các phương pháp bán thực
nghiệm khác (phản ánh các yếu tố khí hậu,
thời tiết, môi trường, điều kiện sử dụng,...)
cho kết quả dao động 20-25 năm là đáng tin
cậy và hoàn toàn phù hợp với công bố của
các nhà khoa học ở các nước [6, 7, 8].
Thử nghiệm DTA của mẫu trong môi
trường không khí sẽ cung cấp thêm các thông
tin về ảnh hưởng của quá trình oxy hóa nhiệt
lên mức phá hủy vật liệu.
Lời cảm ơn
Tác giả chân thành cám ơn PGS. TS
Nguyễn Anh Tuấn – Đại học Báck khoa Hà
Nội đã nhiệt tình giúp đỡ và đóng góp ý kiến
để hoàn thành bài báo 
Tài liệu tham khảo
[1] Krystian

[2]
[3]

[4]

[5]

[6]
[7]
[8]

W. Pilarczyk (1998), Dikes and
Revetments: Design, Maintenance and Safety
Assessment, Publisher A. A. Balkema, Rotterdam.
Wojciech Prochera (2001), “Charaterystyka
geotuby”, biuletin ochrona srodowiska 8/2001.
ASTM: E1641-15, Standard Test Method for
Decomposition Kinetics by Thermogravimetry
Using the Ozawa/Flynn/Wall Method.
ASTM: E1877-15, Standard Practice for
Calculationg Thermal Endurance of Materials
from Thermogravimetry Decomposition Data.
Corbet S., and King J., (1993), Geotextiles in
filtration and drainage, Thomas Telford Service
Ltd., London.
Huỳnh Văn Trí (2006), Công nghệ gia công sợi
hóa học, NXB Đại học quốc gia Tp. HCM.
Donald G. (director) (2011), The durability of
geotextiles, GEOfabrics Limited, UK.
Eugeniusz Dembicki, Lucyna Niespodzińska
(1991), “Geotextiles in coastal engineering
practice”, Geotextiles and geomembranes, Vol.
10, Issue 2, p. 147–159.

Ngày nhận bài: 01/03/2016

Ngày hoàn thành sửa bài: 25/03/2016
Ngày chấp nhận đăng: 28/03/2016