Khả năng ứng dụng sóng siêu âm kiểm tra bê tông kết cấu bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao mô phỏng tai nạn nóng chảy lõi lò phản ứng hạt nhân

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SĨNG SIÊU ÂM
KIỂM TRA BÊ TƠNG KẾT CẤU BỊ ẢNH HƯỞNG
BỞI NHIỆT ĐỘ CAO MƠ PHỎNG TAI NẠN
NĨNG CHẢY LÕI LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
Bê tơng được sử dụng trong xây dựng các cơ sở
hạt nhân, nhà máy điện hạt nhân với hai mục
đích chính: (1) che chắn bức xạ ion hóa và (2)
nâng đỡ các kết cấu của thùng lị phản ứng. Kết
cấu bê tơng gần thùng lò phản ứng được gọi là
tường chắn sinh học (biological shielding wall)BSW (hình 1) bao quanh thùng lị và có chiều
dày từ 1-3 mét tùy thuộc vào thiết kế. Trong điều
kiện vận hành bình thường, mặt trong BSW chịu
thơng lượng bức xạ cao (tia neutron và gamma)
từ thùng lò, nhiệt độ được kiểm soát dưới 65oC để
tránh sự mất nước và thối hóa do nhiệt độ cao.
Tuy nhiên, khi bị sự cố nặng (severe accident) ví
dụ tai nạn nóng chảy lõi lò phản ứng ở các nhà
máy điện hạt nhân Fukushima daiichi, BSW có
thể tiếp xúc cục bộ bức xạ nhiệt từ nhiên liệu
nóng chảy. Những thối hóa do nhiệt ở bê tơng
kết cấu có thể ảnh hưởng đến khả năng chịu lực
trong q trình tháo dỡ nhiên liệu nóng chảy có
thể kéo dài hàng chục năm. Mục đích của nghiên
cứu này là đánh giá khả năng sử dụng sóng âm
để đánh giá các tính chất của bê tơng khi bị tiếp
xúc nhiệt độ cao. Mặt dù rất khó để tiếp cận BSW
do bức xạ cao, JAEA (cơ quan năng lược nguyên
tử Nhật bản) đang nghiên cứu sử dụng laser dựa
trên sóng siêu âm (Laser ultrasonics) để khảo sát

tính tồn vẹn (integrity assessment) của BSW.
Vì vậy, nghiên cứu này được tài trợ bởi JAEA để
đánh giá các thơng số sóng âm cơ bản trong bê
tơng khi bị thối hóa nhiệt.

24

Số 64 - Tháng 9/2020

Hình 1. Tường chắn sinh học trong lò phản ứng áp
lực (Nguồn: Nuclear Engineering and Design 295
(2015) 534–548)
Bê tông là một hỗn hợp được nhào trộn từ xi
măng, nước và cốt liệu gia cường (đá) theo một
tỷ lệ nhất định. Xi măng hòa trộn với nước tạo
ra một loaị gel, trong đó thành phần chính là
calcium-silicate-hydroxide (C-S-H) và portlandite Ca(OH)2. Nước tồn tại trong bê tông ở nhiều
dạng khác nhau, vì vậy tiếp xúc ở nhiệt độ cao gây
ra sự mất nước và bẽ gãy liên kết của nước trong
gel tùy thuộc vào nhiệt độ tiếp xúc, ví dụ như:
- Mất nước tự do (free water) dưới 100oC


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

- Mất nước mao dẫn (capillary water) trong
khoảng 100oC – 500oC

Trong đó: Ed là mô đun đàn hồi động, ρ là mật độ
bê tơng,Vp là vận tốc sóng dọc, Vs là vận tốc sóng

ngang và νd là hệ số poisson động. Trong nghiên
- Phá hủy liên kết trong nước liên kết hóa học
cứu này, biến đổi Hilbert (Hilbert transforma(chemically bound water) trên 400oC.
tion) được sử dụng để chuyển đổi sóng thu nhận
Cơ chế thối hóa trên gây co ngót (shrinkage) ở sang dạng đường bao (envelope), từ đó có thể xác
gel. Bên cạnh đó, nhiệt độ cao cũng gây ra sự giãn định được sóng ngang.
nở nhiệt ở một số loại đá (thông thường chiếm (nguồn ASTM C 597 và />khoảng 70% thể tích bê tơng). Sự thay đổi thể tích cemconres.2009.05.003)
khơng đồng nhất ở gel và đá gây ra nhiều vết nứt
Các mẫu bê tơng được trộn có thành phần tương
và làm giảm cơ tính bê tơng.
tự với bê tơng sử dụng trong các nhà máy điện
Phương pháp không phá hủy dựa trên sóng siêu Fukushima daiichi, bao gồm 157 kg nước, 285
âm được sử dụng rộng rãi trong việc phát hiện kg cát, 838 kg đá thô, 1% chất phụ gia và tỷ lệ
sự không liên tục và khuyết tật trong các loại vật nước/xi măng 0.55. Mẫu được đúc thành hình trụ
liệu khác nhau. Sóng siêu âm truyền trong chất (φ100 × 200 mm) và được giữ hydrat hóa trong
rắn thường bao gồm ba thành phần: (1) sóng 28 ngày. Mẫu sau 28 ngày đạt cường độ nén trung
dọc (longitudinal wave), trong đó hạt di chuyển bình khoảng 40 MPa. Sau đó, mẫu được nung ở
cùng với hướng truyền sóng; (2) sóng ngang các nhiệt độ từ 105oC đến 800oC. Thời gian và tốc
(shear wave), trong đó hạt di chuyển vng góc độ nung được tính tốn để đảm bảo các q trình
với hướng truyền; và (3) sóng bề mặt (thể hiện rõ thối hóa được diễn ra đồng nhất tại các nhiệt độ
khi sóng truyền trong tấm mỏng). Sóng dọc được khác nhau (như bảng 1).
ứng dụng rộng rãi trong kiểm tra sự thay đổi bên
Bảng 1. Chế độ xử lý nhiệt các mẫu bê tông
trong vật liệu khơng có tính định hướng như
rỗ khí và khơng đồng nhất. Trong khi đó, sóng
ngang rất nhạy cảm với khuyết tật có định hướng
như nứt. Trong bê tơng, nứt có thể xảy ra trong
gel, ở tiếp xúc gel/đá và nứt bề mặt. Ứng dụng
sóng ngang trong kiểm tra siêu âm là rất hạn chế
vì trở ngại lớn nhất là xác định thời gian phát sinh

(rising time) bởi vì sóng dọc có tốc độ lan truyền
nhanh hơn nên tới đầu dị nhận (receiving trans- Sự thay đổi về màu sắc và xuất hiện nứt bề mặt
ducer) sớm hơn gây ra sự chồng chéo tín hiệu ghi thể hiện ở hình 2. Kiểm tra siêu âm sử dụng đầu
dị 100kHz truyền sóng trực tiếp được kết nối với
nhận.
thiết bị nhận xung OLYMPUS 5077PR và máy
Để đánh giá tính tồn vẹn, xác định thơng số mơ
hiện sóng TEKTRONIX DPO2022B. Thiết lập
đun đàn hồi tại hiện trường là rất quan trọng, tuy
thử nghiệm thể hiện như hình 3. Tín hiệu trước và
nhiên cần xác định cả hai, vận tốc sóng dọc và
sau khi biến đổi Hilbert thể hiện như hình 4. Bên
sóng ngang để tính tốn theo cơng thức:
cạnh đó, sự chuyển pha trong gel (phase transformation) được kiểm tra bằng phương pháp nhiễu
xạ tia X (XRD), cường độ nén, mất trọng lượng
(weight loss) và thay đổi độ xốp (porosity) cũng

Số 64 - Tháng 9/2020

25


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

được kiểm tra để tìm mối tương quan giữa thay mơ đun đàn hồi và vận tốc truyền âm giảm đáng
kể. Cơ chế thối hóa liên quan đến sự bay hơi
đổi trong bê tơng với thơng số sóng siêu âm.
của nước tự do. Trong khoảng 105 và 400oC, mất
nước mao dẫn gây sự suy giảm nhanh mô đun
đàn hồi và vận tốc sóng âm.

Hình 2. Sự thay đổi bề mặt sau khi nung ở các
nhiệt độ khác nhau

(2) Trên 400oC, sự phân hủy các pha trong gel (CS-H và portlandite) diễn ra mạnh mẽ. Các vết nứt
bề mặt hiện rõ sau 400oC do sự co giãn không
đều giữa gel và đá, tuy nhiên sự suy giảm mô đun
đàn hồi và tốc độ siêu âm giảm dần. Từ 600oC
đến 800oC, bê tông mất hơn 80% cường độ nén
ban đầu, sự thay đổi mô đun đàn hồi và tốc độ
siêu âm hầu như bão hịa. Cấu trúc C-S-H trong
gel có thể bị phân hủy đáng kể do sự biến đổi pha
thành - C2S.
+ Nghiên cứu này cho thấy phương pháp đo sóng
siêu âm nhạy cảm với suy thối do nhiệt ở bê tơng,
đặc biệt là do mất nước ở 105oC và sự phân hủy
của portlandite từ 400 đến 600oC. Sóng ngang
hầu như suy giảm 100%, trong khi sóng dọc suy
giảm trên 70% trên 400oC. Mối tương quan giữa
mô đun đàn hồi động và mô đun đàn hồi tĩnh
trong phạm vi chịu nhiệt từ 25 đến 400oC, tương
ứng với phạm vi mô đun đàn hồi động từ 20-40
GPa cho thấy phạm vi ứng dụng sóng siêu âm để
khảo sát tính tồn vẹn bê tơng trong phạm vi này.

Hình 3. Thiết lập thử nghiệm để đo vận tốc truyền
sóng siêu âm

Hình 5. Thay đổi sóng siêu âm (trái) và vận tốc
truyền sóng P-wave (sóng dọc) và S-wave (sóng

ngang) (phải) ở các nhiệt độ khác nhau
Hình 4. Sóng tiếp nhận tại đầu dị trước khi biến
đổi Hilbert (trái), sau khi biến đổi Hilbert (phải)
Tóm tắt kết quả nghiên cứu (tham chiếu hình 5
và 6):
+ Khi bê tơng chịu nhiệt độ lên tới 800oC, sự
thối hóa có thể chia thành 2 loại: suy thoái do
nước mất dưới 400oC và suy thoái do phân hủy
(decomposition) trên 400oC:
(1) Ở 105oC, do tiếp xúc nhiệt trong thời gian dài, Hình 6. Mối tương quan giữa mô đun đàn hồi

26

Số 64 - Tháng 9/2020


THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

tĩnh xác định bằng phương pháp nén cơ học và
mô đun đàn hồi động xác định bằng phương
pháp sóng siêu âm.
Thơng tin chi tiết về nghiên cứu này có thể xem
thêm tại:
/>AA170/AA170.pdf
Nhut L.V., Kenta Murakami, et al., Applicability
of ultrasonic-wave based method for integrity assessment of concrete severely damaged by heat,
E-Journal of Advanced Maintenance. Vol.11 No.
4 (2020) 163-171
Lưu Vũ Nhựt
Trung tâm NDE

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Y. Le Pape, “Structural effects of radiationinduced volumetric expansion on unreinforced
concrete biological shields,” Nucl. Eng. Des., vol.
295, pp. 534–548, 2015.
[2] ASTM C597-16: Standard Test Method for
Pulse Velocity Trough Concrete (www.astm.org).
[3] R. Birgül, “Hilbert transformation of waveforms to determine shear wave velocity in concrete,” Cem. Concr. Res., vol. 39, no. 8, pp. 696–
700, 2009.

Số 64 - Tháng 9/2020

27