Nghiên cứu vật liệu polyme clay nanocompozit để chế tạo thanh cốt neo chốn 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 CƠNG TRÌNH NGẦM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2012


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 CƠNG TRÌNH NGẦM
Chun ngành : Xây dựng cơng trình ngầm và mỏ
Mã số

: 62.58.50.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

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

HÀ NỘI - 2012


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của
tôi, không sao chép nội dung. Các số liệu và kết quả trong Luận án là trung
thực và có nguồn trích dẫn rõ ràng.

Tác giả luận án

Nguyễn Mạnh Khải


ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... i
MỤC LỤC ..................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT, KÝ HIỆU TIẾNG ANH .............. v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ....................................................................... vi
DANH MỤC CÁC CÔNG THỨC .............................................................. viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................ x
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................... xiii
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NEO TRONG XÂY
DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH CỐT NEO ......................................... 8
1.1. NEO CHỐNG GIỮ CƠNG TRÌNH NGẦM............................................ 8

1.1.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng neo trên thế giới ............................ 8
1.1.2. Neo và xu hướng sử dụng vật liệu polyme-compozit trong chống giữ
cơng trình ngầm và mỏ ở Việt Nam........................................................... 11
1.2. NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU ................. 15
1.2.1. Vật liệu polyme-clay nanocompozit ................................................ 15
1.2.2. Tình hình nghiên cứu cơng nghệ và chế tạo vật liệu polyme-clay
nanocompozit ở Việt Nam......................................................................... 17
1.2.3. Khoáng sét bentonit ......................................................................... 18
1.2.3.1. Cấu trúc của khoáng sét bentonit ............................................... 18
1.2.3.2. Một số tính chất hố lý cơ bản của khống sét bentonit ............. 20
1.2.4. Polyme - nhựa nền ........................................................................... 24
1.2.4.1. Nhựa polyester .......................................................................... 25
1.2.4.2. Nhựa vinylester ......................................................................... 26
1.2.4.3. Nhựa epoxy ............................................................................... 27
1.2.4.4. Lựa chọn nhựa nền và các phụ gia sử dụng trong nghiên cứu của
luận án ................................................................................................... 28
1.2.5. Sợi gia cường .................................................................................. 34


iii
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA NỀN, THANH CỐT
NEO VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..................................................... 39
2.1. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM....................................................... 39
2.1.1. Phương pháp phân tích bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) .................. 39
2.1.2. Phương pháp phân tích bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 39
2.1.3. Phương pháp phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) ......... 40
2.1.4. Phương pháp phân tích bằng phổ hồng ngoại (IR) ........................... 40
2.1.5. Phương pháp chế tạo ....................................................................... 41
2.1.5.1. Phương pháp hữu cơ hoá khoáng sét ......................................... 41
2.1.5.2. Phương pháp chế tạo nhựa nền .................................................. 41

2.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA NỀN ............................. 42
2.2.1. Khảo sát và lựa chọn khoáng sét bentonit ........................................ 42
2.2.1.1. Xác định dung lượng trao đổi cation .......................................... 43
2.2.1.2. Xác định cấu trúc hình thái cơ bản của mẫu bentonit ................. 43
2.2.2. Hữu cơ hoá bentonit ........................................................................ 47
2.2.3. Khảo sát khoáng sét bentonit sau khi được hữu cơ hoá .................... 50
2.2.3.1. Dung lượng trao đổi cation sau khi hữu cơ hóa .......................... 50
2.2.3.2. Hình thái cấu trúc sau khi hữu cơ hóa ........................................ 50
2.2.3.3. Quan sát cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) ...... 53
2.2.4. Khảo sát sự phân tán của claynano .................................................. 55
2.2.4.1. Quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............... 55
2.2.4.2. Khảo sát cấu trúc epoxy-claynano bằng nhiễu xạ tia X (RXD) .. 58
2.2.5. Kiểm tra tính chất cơ lý của nhựa nền.............................................. 63
2.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH CỐT NEO TỪ VẬT
LIỆU EPOXY-CLAY NANOCOMPOZIT CỐT SỢI THUỶ TINH .... 68
2.3.1. Quy trình tạo mẫu ............................................................................ 68
2.3.2. Khảo sát khả năng bám dính giữa nhựa nền epoxy-claynano với sợi
thuỷ tinh trong vật liệu polyme-claynanocompozit .................................... 69
2.3.3. Khảo sát sự phân bố sợi thủy tinh trong pha nền epoxy-claynano .... 71
2.3.4. Khảo sát khả năng chịu kéo của vật liệu với các tỷ lệ sợi khác nhau 72
2.3.5. Khảo sát khả năng chịu cắt của vật liệu với các tỷ lệ sợi khác nhau . 74
2.3.6. Khảo sát tính bám dính của thanh neo với chất kết dinh dẻo ............ 77


iv
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH NEO VÀ CHỐNG
THỬ NGHIỆM ........................................................................................... 79
3.1. KHẢO SÁT, LỰA CHỌN, THIẾT KẾ, CHỐNG THỬ NGHIỆM
TẠI HIỆN TRƯỜNG ........................................................................... 79
3.1.1. Điều kiện cơng trình, địa chất thủy văn .......................................... 79

3.1.2. Cơ sở lựa chọn vỏ chống ................................................................. 82
3.1.2.1. Lựa chọn vỏ chống theo hệ số ổn định của đất đá bao quanh
đường lò ................................................................................................. 84
3.1.2.2. Lựa chọn vỏ chống theo chỉ tiêu phân loại khối đá quanh đường lò . 85
3.1.3. Lựa chọn vỏ chống .......................................................................... 89
3.1.4. Tính tốn lập hộ chiếu chống giữ đường lị ...................................... 90
3.1.4.1. Tính chiều dài neo .................................................................... 91
3.1.4.2. Tính khả năng chịu lực của neo ................................................ 91
3.1.4.3. Lập hộ chiếu chống lị bằng vì neo ........................................... 92
3.1.4.4. Tính tốn, lựa chọn các thơng số của vì neo Lị dọc vỉa đá V.10
quay Đông mức +30 ............................................................................... 94
3.2. CHẾ TẠO THÀNH CỐT NEO EPOXY-CLAY NANOCOMPOZIT
CỐT SỢI THỦY TINH ĐỂ CHỐNG THỬ NGHIỆM TẠI HIỆN
TRƯỜNG ............................................................................................. 95
3.3. CHỐNG THỬ NGHIỆM TẠI HIỆN TRƯỜNG ................................... 96
3.4. THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG MANG TẢI CỦA THANH NEO ........... 99
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 103
CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ .................................... 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 105
PHỤ LỤC


v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT, KÝ HIỆU TIẾNG ANH
BTCT
: Bê tông cốt thép.
BTP

: Bê tông phun.

CDCT

: Chất dẻo cốt thép.

Clay

: Khoáng sét.

DDAC

: Didecyl dimethyl amonnium clorua.

DV

: Dọc vỉa.

HCHB

: Hữu cơ hóa bentonit.

KCN

: Khu cơng nghiệp.

KHCN

: Khoa học cơng nghệ.

Mont.

: Montmorillonit.

NCS

: Nghiên cứu sinh.

PCN

: Polyme-clay nanocompozit.

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam.

TKV

: Tập đồn Than và Khống sản Việt Nam.

TNHH

: Trách nhiệm hữu hạn.

V10

: Vỉa 10.

ASTM

: Hệ thống tiêu chuẩn của Mỹ.

FTIR

: Phổ hồng ngoại.

ISO

: Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế.

Peak

: Đỉnh, cao điểm.

RMR

: Chất lượng đường hầm theo phương pháp phân
loại khối đá của Barton, Lien và Lunde.
: Chỉ tiêu đánh giá ổn định khối đá của Bieniewski.

RQD

: Chỉ số chất lượng đá theo phân loại của Deere.

SEM

: Kính hiển vi điện tử quét.

TEM

: Kính hiển vi điện tử truyền qua.

X(XRD)

: Nhiễu xạ tia X hoặc nhiễu xạ tia Rơnghen.

K

: Mốc đo chiều dài.

Q - Tunnel Quality


vi
3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Tỷ trọng đất đá



kN/m



độ

Góc ma sát trong qui ước của đá



-

Hệ số độ bền lâu dài của đất đá



-

Hệ số poisson



Độ

λ

-

Bước sóng của tia X

1

-

Hệ số áp lực hơng

1

MPa

Lực bám dính giữa thanh neo và chất dẻo

2

MPa

Lực dính kết giữa chất dẻo và đất đá

Góc dốc vỉa than trung bình

K

kN/m2 Độ bền kéo trung bình của đá nóc

n

kN/m2 Độ bền nén đơn trục trung bình của đá hơng

o

Độ

a

m

b

m

Góc tạo bởi giữa mặt phẳng giới hạn áp lực tựa truyền

xuống lớp đá trụ.
Khoảng cách giữa các vì neo, chiều rộng nửa đường lò

dLK

mm

Chiều cao sụt lở của nóc, chiều cao vịm phá huỷ, chiều
cao vịm cân bằng
Đường kính lỗ khoan

dN

mm

Đường kính cốt thép

f

-

Hệ số kiên cố trung bình của đất đá, hệ số kiên cố của
đất đá bao quanh đường lị
Diện tích tiết diện cốt thép

Fc

mm2

H

m

Chiều sâu trung bình của đường lị

h

m

Chiều cao đường lị

Ja

-

Chỉ số mức độ phong hoá, chất lấp nhét trong khe nứt

Jn

-

Chỉ số về hệ khe nứt

Jr

-

Chỉ số về chất lượng bề mặt khe nứt

JV

-

Tổng số khe nứt trên một đơn vị dài

Jw

-

Chỉ số về ảnh hưởng của nước

K1

-

Hệ số tập trung ứng suất hông


vii
K2

-

Hệ số tập trung ứng suất

kat

-

Hệ số an toàn, hệ số quá tải, tuỳ thuộc vào vị trí

Kc

-

Hệ số giảm yếu cấu trúc

Klv

-

Hệ số làm việc của thanh neo

klvz

-

Hệ số tính đến vì neo làm việc trong mơi trường nước

kz

-

Hệ số điều chỉnh khoá neo

L

mm

Chiều dài của lỗ khoan khảo sát

Li

mm

Chiều dài của mỗi thỏi đá

Lk

m

Chiều dài phần đuôi neo

ltr

m

Chiều dài theo hướng dốc trụ bảo vệ

lz

m

Chiều dài phần khoá neo

n

-

Số nguyên tố đặc trưng cho mức độ nhiễu xạ

np

-

Hệ số vượt tải

Pn

kN

qn
R

Khả năng chịu tải của vì neo

kN/m2 Áp lực nóc
mm

Bán kính thanh neo

Rn

-

Chỉ tiêu về độ bền nén đơn trục của đá

RC

-

Chỉ tiêu khoảng cách giữa các khe nứt cùng hệ

RD

-

Chỉ tiêu chất lượng theo Deere

Rj

-

Đặc điểm bề mặt nứt nẻ

Rk

N/mm2 Khả năng chịu kéo của cốt thép

RP

-

Sự ảnh hưởng của phương khe nứt đối với trục đường lò

RQD

-

Chỉ tiêu chất lượng khối đá

RW

-

Sự ảnh hưởng của nước ngầm khối đá

S

neo/m2 Mật độ neo

Smin

m

SRF

-

Khoảng cách tối thiểu theo phương thẳng đứng từ lò đá
đến vỉa than
Chỉ số về điều kiện ứng suất

θ

-

Góc giữa chùm tia đến và mặt phẳng mạng tinh thể

viii
DANH MỤC CÁC CÔNG THỨC
Xác định khoảng cách cơ sở d giữa các lớp nanoclay:
λ.n
d=
(nm) (2-1) .............................. 39
2sinθ
Xác định khoảng cách tối thiểu theo phương nằm ngang từ đường lò đá đến
vỉa than:
Xminltr x (cos  + tg o x sin )
(m)
(3-1) .............................. 83
X min 

S+ (b + h)cosα
sinα

(m)

(3-2) .............................. 83

Xác định hệ số độ ổn định đá nóc lị:
 .K .
nn  k c
K2 .1. .H

(3-3) .............................. 84

Xác định hệ số độ ổn định đá hơng lị:
 .K .

nh  n c
K1..H

(3-4) .............................. 84

Xác định chỉ số đánh giá chất lượng khối đá:
RQD 

 Li 100%
LRQD

(3-5) .............................. 86

Phương pháp phân loại khối đá theo Bieniewski:
RMR = Rn + RD + RC + Rj + RW + RP
(3-6) .............................. 87
Phương pháp phân loại khối đá theo Barton.N:

 RQD   J r   J w 
Q
 

 J n   J a   SRF 
Xác định chiều dài thanh neo:
Ln = b + 1,5lz + lk

(3-7) .............................. 88

(m)

(3-8) .............................. 91


ix
Xác định chiều cao vòm sụt lở theo Tximbarevic:
 90   
a  h1tg 

 2  .k
b
f

(m)

Xác định khả năng chịu kéo của thanh neo:
(kN)
Pc = Fc.Rk.Klv

(3-9) .............................. 91

(3-10) ............................ 91

Xác định khả năng mang tải theo điều kiện bám dính giữa cốt vì neo và bê tơng:
PCB = .dN x 1 x lZ x kZ x kLVZ
(kN) (3-11) ............................ 92
Xác định khả năng mang tải theokhả năng bám dính giữa chất dẻo và đất đá:
PBD = .dLK x 2 x lz x kz x kLVz
(kN) (3-12) ............................ 92
Xác định tải trọng nóc lị:
qn = b.

(kN/m2)(3-13) ............................ 92

Xác định mật độ neo:

S

qn .n p
pn

(neo/m2) (3-14) .......................... 92

Xác định khoảng cách giữa các vì neo:

a

1
S

(m)

(3-15) ............................ 93


x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh của một số hãng trên thế
giới chào hàng tại Việt Nam. .......................................................... 9
Hình 1.2. Sơ đồ phân loại neo theo nguyên lý liên kết ................................. 10
Hình 1.3. Sơ đồ phân loại neo theo nguyên lý liên kết được bổ sung bởi kết

quả nghiên cứu của luận án........................................................... 15
Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể lý tưởng của montmorillonit ............................. 19
Hình 1.5. Cấu trúc phân tử hố học lý tưởng của polyester .......................... 25
Hình 1.6. Cấu trúc phân tử hố học lý tưởng của vinylester ......................... 26
Hình 1.7. Cơng thức cấu tạo hố học điển hình của epoxy .......................... 27
Hình 1.8. Cơng thức cấu tạo của epoxy-828 theo ........................................ 29
Hình 1.9. Độ nhớt của epoxy-828 với các chất pha loãng khác nhau ........... 30
Hình 1.10. Cơng thức cấu tạo của heloxy-505 của hãng Sell ....................... 31
Hình 1.11. Cơng thức cấu tạo của EPI-CURE® 3125 .................................... 34
Hình 1.12. Những chất tăng cường hay còn gọi là cốtcủa vật liệu compozit .... 35
Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo nhựa nền epoxy-clay nanocompozittrước khi hóa rắn... . 42
Hình 2.2. Phổ đồnhiễu xạ tia X (XRD) bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận ... 44
Hình 2.3. Phổ hồng ngoại (IR) mẫu bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận ...... 45
Hình 2.4. Sơ đồ tổng quan hữu cơ hố biến tính khống sét ........................ 47
Hình 2.5. Mơ tả sự sắp xếp mạch ankyl khi hữu cơ hoá bề mặt khống sét... 48
Hình 2.6. Cộng phổ đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của bentonit Lâm Đồng và Bình
Thuận trước và sau khi hữu cơ hố ............................................... 51
Hình 2.7. Phổ hồng ngoại của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận trước và
sau khi hữu cơ hóa ........................................................................ 52
Hình 2.8. Ảnh SEM của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận trước HCHB ... 53
Hình 2.9. Ảnh SEM của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận sau khi HCHB .. 54


xi
Hình 2.10. Tỷ lệ 1% claynano theo phần khối lượng epoxy.......................... 56
Hình 2.11. Tỷ lệ 2% claynano theo phần khối lượng epoxy.......................... 56
Hình 2.12. Tỷ lệ 3% claynano theo phần khối lượng epoxy.......................... 56
Hình 2.13. Tỷ lệ 4% claynano theo phần khối lượng epoxy.......................... 57
Hình 2.14. Tỷ lệ 5% claynano theo phần khối lượng epoxy.......................... 57
Hình 2.15. Tỷ lệ 6% claynano theo phần khối lượng epoxy.......................... 57

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 ................58
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. ...............59
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 ................60
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. ..............61
Hình 2.20. Phổ đồ nhiễu xạ tia X của epoxy-claynano Lâm Đồngvà Bình Thuận
với tỷ lệ 6 % phần khối lượng claynano so với nhựa epoxy ...............62
Hình 2.21. Hình dáng, kích thước mẫu nhựa nền thí nghiệm bền kéo ........... 64
Hình 2.22. Ứng suất kéo nhựa nền với các tỷ lệ khác nhau củaclaynano
Bình Thuận trong nhựa epoxy .................................................. 66
Hình 2.23. Ứng suất kéo nhựa nền với các tỷ lệ khác nhaucủa claynano
Lâm Đồng trong nhựa epoxy ................................................... 67
Hình 2.24. Sơ đồ chế tạo mẫu và thanh cốt neo ............................................ 68
Hình 2.25. Một số hình ảnh khi tạo mẫu và thanh neo epoxy-clay nanocompozit
cốt sợi thuỷ tinh ...................................................................................69
Hình 2.26. Ảnh SEM chụp trên bề mặt gẫy của mẫu 30%,40%,50%,60% và
70% phần khối lượng sợi thủy tinhtrong vật liệu compozit ............ 70
Hình 2.27. Ảnh kính hiển vi kim tương với độ phóng đại 25 lần .................. 71
Hình 2.28. Ảnh kính hiển vi kim tương với độ phóng đại 1000 lần .............. 72


xii
Hình 2.29. Đầu cặp mẫu thanh neo trong thí nghiệm kéo ............................. 73
Hình 2.30. Đồ thị tương quan ứng suất kéo với các tỷ lệ sợi thủy tinh khác
nhau trong vật liệu epoxy-clay nanocompozit ............................... 74
Hình 2.31. Thiết bị kiểm tra khả năng chịu cắt của vật liệu .......................... 75
Hình 2.32. Đồ thị quan hệ ứng suất cắt với các tỷ lệ sợi thủy tinh ................ 76

Hình 2.33. Mẫu thử nghiệm khả năng bám dính của cốt neo ........................ 78
Hình 3.1. Mặt cắt ngang hộ chiếu lò dọc vỉa đá V10 + 30 quay Đơng khu
Tràng Khê II ................................................................................. 94
Hình 3.2. Một số hình ảnh mơ tả q trình gia cơng chế tạo thanh cốt neo ... 96
Hình 3.3. Sơ đồ khoan, lắp đặt theo neo epoxy-clay nonocompozit cốt sợi
thủy tinh ....................................................................................... 97
Hình 3.4. Một số hình ảnh mơ tả dây chuyền cơng nghệ thi cơng lắp đặt vì neo
cốt epoxy - clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh tại hiện trường ..... 99
Hình 3.5. Một số hình ảnh mơ tả quy trình kéo rút thử nghiệm khả năng mang tải
của vì neo thanh cốt epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh .... 101


xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. So sánh cốt neo polyme-compozit cốt sợi thủy tinh với cốt neo thép... 12
Bảng 1.2. So sánh ưu nhược điểm của nhựa polyester ................................. 26
Bảng 1.3. Tính chất cơ lý chung của nhựa epoxy ........................................ 28
Bảng 1.4.Thông số cơ bản của nhựa epoxy-828 thương phẩm ..................... 29
Bảng 1.5. Một số đặc trưng của chất pha lỗng heloxy-505 ......................... 31
Bảng 1.6. Hàm lượng các chất đóng rắn khác nhau sử dụng đối với epoxy-828
để cho sản phẩm có độ cứng tối đa .................................................. 33
Bảng 1.7. So sánh đặc trưng cơ lý của các chất đóng rắn EPI-CURE®nhóm
3100 ......................................................................................... 33
Bảng 1.8. Các loại sợi thuỷ tinh .................................................................. 36
Bảng 1.9. Tính chất cơ học của sợi thuỷ tinh loại E, R ................................ 36
Bảng 1.10. Đặc tính của sản phẩm sợi thuỷ tinhlớp 386T-E6 ....................... 37
Bảng 1.11. Thông số kỹ thuật của sợi thuỷ tinh E6DR17-1200-386T........... 37
Bảng 1.12. Đặc tính cơ học của sợi thuỷ tinh E6DR17-1200-386T .............. 38
Bảng 2.1. Dung lượng trao đổi cation của bentonit ...................................... 43
Bảng 2.2. Các chất được sử dụng làm tác nhân hữu cơ hóa montmorillonit . 49

Bảng 2.3. Dung lượng trao đổi cation của bentonit Bình Thuận, Lâm Đồng
trước và sau khi hữu cơ hóa ............................................................. 50
Bảng 2.4. Đặc trưng mont. của Lâm Đồng và Bình Thuận trước và sau khi
hữu cơ hoá ....................................................................................... 54
Bảng 2.5. Kết quả xác định độ bền kéo của mẫu epoxy-claynano Bình Thuận . 65
Bảng 2.6. Kết quả xác định độ bền kéo của mẫu epoxy-claynano Lâm Đồng... 66
Bảng 2.7. Kết quả kéo mẫu trên máy kéo nén T-50 ...................................... 73


xiv
Bảng 2.8. Kết quả thí nghiệm độ bền cắt với các hàm lượng sợi thủy tinh khác
nhau trong vật liệu epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh ....... 75
Bảng 2.9. Số liệu thí nghiệm kéo neo thử nghiệm tính bám dính .................. 77
Bảng 3.1. Các chỉ tiêu cơ lý của các loại đá ................................................ 81
Bảng 3.2. Đánh giá mức độ ổn định ............................................................ 85
Bảng 3.3. Phân loại chất lượng khối đá theo các cấp ................................... 86
Bảng 3.4. Phân loại chất lượng khối đá theo chỉ số RMR ............................. 88
Bảng 3.5. Phân loại chất lượng khối đá theo chỉ tiêu Q ............................... 89
Bảng 3.6. Kết quả đánh giá chất lượng khối đá theo RQD, RMR và Q ........ 89
Bảng 3.7. Thông số kỹ thuật lò DV đá vỉa ................................................... 90
Bảng 3.8. Bảng tính tốn các thơng số kỹ thuật của hộ chiếu chống neo ...... 93
Bảng 3.9. Kết quả thử nghiệm khả năng mang tải của thanh neo ................ 101
Bảng 3.10. Kết quả thử nghiệm khả năng mang tải của neo CDCT ........... 102


1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. 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,

neovới vai trò kết cấu chống tạm và chống cố định trong xây dựng cơng 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 cơng 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 q trình thi cơng chia gương ở các cơng 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 cơng tác xúc bốc vận chuyển khối đá sau
khi phá nổ, do có lẫn các thanh neo. Ngồi 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 mơi trường ẩm ướt hay mơi trường axit thanh cốt neo dễ có thể
bị ăn mịn (điện hố, hố học), làm giảm tuổi thọ của cơng trình. Mặt khác, do
trọng lượng thanh neo thép lớn nên thường gây khó khăn, khơng đảmbảo cắm
neo chính xác khi thi cơng 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


2
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 vơ 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 nghiên cứu sinh năm 2001.
Vật liệu polyme-clay nanocompozit là loại vật liệu lai tạp 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
cứuđều cho thấy các đặc điểm vượt trội về cơ tính, hố 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
quốc phịng… Song các cơng 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 cơng 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


3
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 khơng bị ăn mịn, chịu mài mịn cao.
Ngồi ra vật liệu này lại cho phép dễ gia cơng, 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 cơng trình ngầm”được hình thành xuất phát từ các
u cầu thực tế và các tiến bộ khoa học trên thế giới cũng như ở Việt Nam.
Mục đích của cơng 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 cơng trình ngầm dân dụng nói chung và khẳng định vai trò nghiên cứu
xu hướng hội nhập quốc tế.
2. 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 cơng nghệ thích hợp để chế tạo polyme-clay
nanocompozit ở quy mơ phịng 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 polymeclay 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 cơng trình ngầm,


4
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. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Từ mục tiêu, phạm vi và đối tượng nghiên cứu của luận án, NCS đã

tiến hành nghiên cứu với những nội dung chính sau:
1- Khảo sát và ổn định quy trình hữu cơ hố bentonit trong nước với
quy mơ phịng thí nghiệm.
2- Khảo sát sự phân tán của bentonit sau khi hữu cơ hoá vào nhựa
epoxy nền bằng phương pháp nghiền trộn cơ học.
3- Khảo sát tính chất cơ lý của nhựa nền (epoxy-claynano).
4- Xây dựng công nghệ chế tạo thanh cốt neo trên cơ sở vật liệu epoxyclay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh.
5- Khảo sát tính chất cơ lý của thanh cốt neo trong phịng thí nghiệm
(độ bền kéo, độ bền cắt, khả năng bám dính…).
6- Khảo sát khả năng sử dụng thanh cốt neo đã được chế tạo so với
thanh cốt neo bằng thép đang được sử dụng tại hiện trường mỏ hầm lò.
Để thực hiện những nội dung nghiên cứu trên, NCS đã thực hiện các
phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp hồi cứu: tìm kiếm, thu thập các tài liệu, cập nhật các
thông tin trên mạng internet và thư viện.
- Phương pháp phân tích:
+ Phương pháp phân tích hố học: xác định dung lượng trao đổi
cation để lựa chọn khoáng sét bentonit trong nước cho nghiên cứu.
+ Phương pháp phân tích hoá lý: sử dụng các phương pháp như
phổ XRD, FT-IR và ảnh SEM, TEM, kính hiển vi kim tương.
+ Phương pháp xác định độ bền cơ học: độ bền kéo, độ bền cắt,
khả năng bám dính...


5
- Phương pháp so sánh: so sánh phân tích ưu nhược điểm khi thay đổi
tỷ lệ giữa các cấu tử trong sản phẩm, để lựa chọn thành phần tối ưu.
- Phương pháp thực nghiệm: thực hiện hữu cơ hoá khoáng sét và chế
tạo nhựa nền bằng biện pháp nghiền trộn cơ học. Xây dựng công nghệ chế tạo
thanh cốt neo và tiến hành chống thử nghiệm tại hiện trường mỏ hầm lò.

4. 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 nền epoxy bằng phương pháp trộn hợp cơ học đến mức độ tách lớp
hoàn toàn (expholiated) và xác định được các thông số chủ yếu của q trình
phân tán.
2- Đã xây dựng cơng 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).
3- Đã thử nghiệm thành cơng 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 cơng trình ngầm nói
chung hay khoa học vật liệu nói riêng. Những kết quả nghiên cứu ban đầu này


6
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 cơng 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 cơng 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.
5. Những Luận điểm cần bảo vệ
1- Nghiên cứu thành phần hoá học, cấu trúc của vật liệu để chế tạo nhựa
nền từ khống sét bentonit Bình Thuận với nhựa epoxy-828 thương phẩm.
2- Quy trình chế tạo thanh cốt neo từ nhựa nền epoxy-clay nanocompozit
cốt sợi thuỷ tinh.
3- Nghiên cứu, đánh giá và đề xuất khả năng sử dụng thanh cốt neo đã
được chế tạo so với thanh cốt neo bằng thép hiện đang chống giữ cơng trình
ngầm của Tập đồn Than và Khống sản Việt Nam.
6. Cơ sở tài liệu
- Các tài liệu tham khảo từ những bài báo, cơng trình nghiên cứu trên
các tạp chí khoa học, các ấn phẩm khoa học và các trang mạng Internetcủa
các tác giả trong và ngoài nước.
- Các tiêu chuẩn, quy chuẩn và patent được sử dụng trong các phương
pháp khảo sát, nghiên cứu về vật liệu trong phịng thí nghiệm và thử nghiệm
tại hiện trường.
- Các dữ liệu đo đạc, khảo sát địa chất khu vực thử nghiệm của Viện
Khoa học Công nghệ mỏ và Công ty than Hồng Thái - Tập đồn Than và
Khống sản Việt Nam.


7
7. 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.
8. Lời cảm ơn
Luận án được hồn thành tại Bộ mơn Xây dựng Cơng trình ngầm và
mỏ, Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Bộ Giáo dục và Đào tạo
dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Nguyễn Quang Phích.
Trong q trình thực hiện luận án NCS ln nhận được sự giúp đỡ của
các thầy, cô trong Bộ môn và khoa Xây dựng; Phòng Đào tạo Sau đại học;
lãnh đạo Trường Đại học Mỏ - Địa chất; Văn phòng Chủ tịch nước; Viện
Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Viện Khoa học Công nghệ mỏ; Công ty
than Hồng Thái - Tập đồn Than và Khống sản Việt Nam…
Nghiên cứu sinh bầy tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến các cơ
quan, các thầy cô giáo, các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp, cùng những
người thân đã tận tình giúp đỡ tác giả hồn thành luận án này.


8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUANVỀ 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 CƠNG 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 cơng tác chống giữ các cơng trình ngầm trên thế giới.
Hàng 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 [1]… Trong
lĩnh vực xây dựng cơng trình ngầm và địa kỹ thuật, kết cấu neo đã và đang là
phương pháp cơ bản trong việc gia cố, chống giữ ổn định khối đất đá [8].

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 cốt sợi thuỷ tinh và đã được ứng dụng
thành cơng. Hình 1.1 giới thiệu một số thanh cốt neo của nước ngoài.

Neo thanh Waidman

Neo chùm Waidman

NeoTrung Quốc


9

Neo Minova

Neo Liên Xơ (cũ)

Hình 1.1. Neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh của một số hãng trên thế
giới chào hàng tại Việt Nam [119], [120], [138], [139], [140], [141].
Tại hình 1.1 thanh neo cốt sợi thuỷ tinh do hãng Waidman-Thuỵ sĩ đã
được nghiên cứu và sử dụng để chống giữ cơng trình ngầm nhiều nơi trên thế
giới với nhiều loại hình khác nhau như thanh đơn đặc, thanh đơn rỗng để bơm
phun, neo chùm và phạm vi sử dụng cũng rất đa dạng [138], [139]. Cũng là
neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh kết dính thơng thường, nhưng có hình
dạng, kết cấu khác và đã được sử dụng rộng rãi và phổ biến ở Liên Xơ cũ đó
là neo sợi thuỷ tinh thanh thẳng có quấn dây thép ở đầu, bện xoắn hoặc nêm
chẻ [119], [120]. Ngồi ra, cịn có các dạng thanh neo cốt sợi thuỷ tinh khác
như của Trung Quốc hay của hãng Minova [140], [141].
Trong thực tế khi sử dụng neo, người ta cố gắng lắp đặt neo càng sớm

càng tốt ngay sau khi khai đào cơng trình ngầm. Hiện nay, phương pháp đào
hầm mới của NATM-Áo (New Austrian Tunnelling Method) đang được sử dung
rất rộng rãi khi thi cơng xây dựng cơng trình ngầm, trong đó neo kết hợp với bê
tông phun (BTP) tạo thành kết cấu chống tạm được thi công ngay sau mỗi chu
kỳ khoan nổ mìn và xúc bốc đất đá. Cũng bằng phương pháp này, khi đào trong
đất đá mềm yếu người ta tiến hành gia cố gương (cược gương) bằng các thanh
neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh, ngay sau mỗi chu kỳ khoan nổ mìn.
Trên thế giới, khi lựa chọn loại neo sử dụng để chống giữ cho cơng
trình ngầm, ngồi việc quan tâm tới đặc tính làm việc của neongười ta thường
rất chú ý tới các yếu tố khác như: điều kiện địa cơ học khối đá, mục đích sử