Đặc tính thủy lực của hệ cát - vải

46 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 ĐẶC TÍNH THỦY LỰC CỦA HỆ CÁT - VẢI HYDRAULIC PROPERTIES OF THE SAND-FABRIC SYSTEM Nguyễn Thị Thơm1, Nguyễn Đình Chinh1, Bùi Đức Hải2, Vương Quang Việt1 1Viện Nhiệt đới môi trường 2Công ty Cổ phần cốt sợi polyme Việt Nam Tóm tắt: Vật liệu chế tạo ống mềm về mặt thủy lực phải được xem xét hai chức năng: Chức năng lọc: ngăn được các hạt cát thoát khỏi ống cùng với dòng nước và chức năng thấm: cho nước thấm thoát tự do. Chủng loại vật liệu dệt cũng như vật liệu nhồi là đất hoặc cát cũng rất phong phú vì thế việc lựa chọn loại vật liệu ống mềm thích hợp với một loại cát nhồi là không dễ dàng. Thử nghiệm xác định đặc tính thủy lực của hệ cát - vải mô phỏng điều kiện làm việc của hệ thống thông qua xác định trở lực tắc nghẽn - tỷ lệ gradient và lưu lượng thấm qua vải với hai chủng loại vải dệt, vải không dệt và nguồn vật liệu nhồi (đất hoặc cát) phổ biến tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu nhằm cung cấp thêm số liệu phục vụ việc lựa chọn vật liệu, công nghệ chế tạo ống mềm xây dựng đê. Từ khoá: tắc nghẽn, tỷ lệ gradient, lưu lượng thấm qua. Abstract: Materials for flexible hoses should be hydraulically considered through two functions: (i) filtration: to prevent escape of sand particles together with water flows; and (ii) seepage: to allow water to get through freely. Types of textile materials as well as fillers, i.e. soil/sand are such abundant that it is not easy to select a proper flexible hose material for a specific type of filling sand. In simulation of the working conditions of the sand-fabric system, our experiments determined its hydraulic properties via clogging resistances – gradient ratio and permeability through fabrics with woven fabrics, non-woven fabrics and the filing material (sand/soil) widely available in Ho Chi Minh City. This study was aimed at providing more data for selecting materials and engineering processes to manufacture flexible hoses for making dykes. Keywords: clogging, gradient ratio, permeability. 1. Giới thiệu Xây dựng đê bằng ống nhồi cát là một giải pháp công trình hiệu quả, kinh tế để đối phó với biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Nghiên cứu tính tương thích của hệ vật liệu ống mềm – cát thông qua các đặc tính thủy lực là một trong những nội dung của đề tài KC02.13. Yêu cầu về khả năng lưu giữ và độ thấm qua vật liệu ống mềm được xác định theo thuật ngữ độ mở biểu kiến EOS (ASTM 4751) và giá trị hệ số thấm qua hay lưu lượng thấm qua (theo ISO 11058). Những tiêu chí này thỏa mãn phần lớn các ứng dụng nơi tiềm năng tắc nghẽn lọc thấp hoặc nơi các ứng dụng thoát nước không quá kịch tính [1]. Khi tiềm năng tắc nghẽn đáng kể, hoặc khi ứng dụng thoát nước được cho là quan trọng, trở lực tắc nghẽn của vải lọc cần đánh giá để đảm bảo cho thi công và vận hành lâu dài của hệ thống thủy lực. Bài viết trình bày thử nghiệm xác định trở lực tắc nghẽn - tỷ lệ gradient và lưu lượng thấm qua hệ cát - vải phổ biến có thể ứng dụng trong công trình địa kỹ thuật ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Nguyên vật liệu - Cát xây dựng (ký hiệu A) có nguồn gốc từ Đồng Tháp vận chuyển và sử dụng tại Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM). Cát san lấp (ký hiệu B) có nguồn gốc từ Đồng Tháp vận chuyển và sử dụng tại TP. HCM. - Vải dệt địa kỹ thuật có thông số tương đương: vải địa kỹ thuật cường lực GM10, Hàn Quốc. Vật liệu PES, bền kéo đứt dọc ngang 100 kN/m, O95 ≤ 75 μm. - Vải GM10B là vải GM10 tráng PVC biến tính được tiến hành tại Viện Nhiệt đới môi trường. Trình tự thực hiện: PVC biến tính được hòa tan thành dung dịch 5 % trong hỗn hợp dung môi Cyklohecanon và Methylethylketon rồi tráng lên GM10 bằng phương pháp dung dịch với tốc độ tráng 0,1 m/giây. Sau khi tráng để vải khô tự nhiên 48 giờ. TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 47 - Vải địa kỹ thuật không dệt Polyfelt có thông số tương đương TS65, Hàn Quốc. Vật liệu PP, bền kéo đứt dọc ngang 22 kN/m, O95 ≤ 180 μm. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Quan sát cấu trúc của vải hoặc sợi Sử dụng máy ảnh Canon DX40 ống kính 35mm 1:1.8G, độ mở 1:5.6; chế độ macro; Phương pháp phân tích (ảnh SEM) bằng thiết bị JSM 7600F, vải phủ Au-Pt với điện áp thấp. Thiết bị của ĐH BK Hà Nội. 2.2.2. Phân loại cỡ hạt Cỡ hạt được xác định bằng sàng mã số: Prusieb - Đức; Phân loại cỡ hạt theo TCVN 4828-89. Mẫu cát khoảng 100g được sấy trong lò sấy ở 105oC đến khối lượng không đổi (khoảng 1 giờ) làm nguội sàng và cân ở nhiệt độ phòng. Hệ số đồng đểu của cỡ hạt (theo TCVN 5747-1993) tính bằng công thức: 𝐶𝑢 = 𝑑60 𝑑10 (1) Trong đó: d60 – đường kính của hạt đất có 60 % khối lượng hạt nhỏ hơn; d10 – đường kính của hạt đất có 10 % khối lượng hạt nhỏ hơn. 2.2.3. Đo độ tắc nghẽn tỷ lệ gradient Thiết bị đo độ tắc nghẽn ký hiệu LT48 được dùng để đo tại phòng thí nghiệm thuộc Viện Nhiệt đới môi trường. Cột đất trong thiết bị cao 100 mm. Sơ đồ và thiết bị đo theo phương pháp Haliburton và Wood, đo phân tích gradient thủy lực thể hiện qua giá trị “tỷ lệ gradient” qua vải cộng với 25 mm đất lân cận, và gradient thủy lực qua 50 mm đất lân cận. Mỗi phép đo được thực hiện 5 lần và lấy trung bình theo Phương pháp ASTM D5101 [2, 3]. Giá trị tỷ lệ tắc nghẽn được tính bằng công thức sau: 𝐺𝑅 = ∆𝐻𝐺𝑇+25𝑆/𝑡𝐺𝑇+25 ∆𝐻50𝑆/𝑡50 (2) Trong đó: ∆𝐻𝐺𝑇+25𝑆 – thay đổi cột nước từ đáy vải đến 25 mm lớp đất trên vải; 𝑡𝐺𝑇+25 – độ dày của vải (mm) cộng với 25 mm đất; ∆𝐻50𝑆 – thay đổi cột nước giữa 50 mm lớp đất trên vải; 𝑡50 – chiều dày lớp đất 50 mm. 2.2.4. Đo lưu lượng thấm qua vải Ứng với các thông số về cột nước trên thiết bị LT 48 theo ASTM D4491 [4, 5]. Mỗi phép đo được thực hiện 3 lần và lấy trung bình. Lưu lượng thấm được tính bằng công thức ứng với từng cột áp cố định: 𝑉 (𝐿/𝑚2/𝑠) = 𝑄 𝐴.𝑠 (3) Trong đó: Q – lưu lượng dòng qua vải mẫu (ml-L); s – thời gian dòng lưu chất qua; A – diện tích của mẫu có hình tròn đường kính D = 108 mm; 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Cấu trúc của vải Ảnh chụp bề mặt của hai loại vải thử nghiệm thể hiện trong hình 1. Hình 1. Bề mặt của vải địa kỹ thuật; (a) Vải GM10 - ảnh trái; (b) Vải tráng dung dịch PVC ký hiệu GM10B – ảnh giữa; (c) Vải TS65 – ảnh phải Ảnh chụp cho thấy bề mặt kẻ ô với các sợi băng thể hiện rõ trên hình 1(a) của vải GM10 [6]. Bề mặt có cấu trúc điển hình của vải dệt thoi. Độ mở của lỗ là khoảng sáng giữa các mắt sợi dệt phân bố đều đặn. Vải dệt có tráng PVC biến tính không thấy có sự thay đổi gì đáng kể trên bề mặt hình 1(b) ngoài màu sắc có thêm ánh vàng nhạt của keo. Bề mặt vải TS65 không có cấu trúc này hình 1(c). Độ mở của lỗ là khoảng cách giữa các sợi vải. Kích thước và hình dạng của độ mở của vải GM10 phân bố đều đặn so với độ mở của vải TS65. Hình 2. Sợi vải địa kỹ thuật; (a) Vải GM10 - ảnh trái; (b) Vải TS65 – ảnh phải Cấu trúc của hai loại vải dệt thoi GM10 và vải không dệt TS65 trong hình 2. 48 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016 Ảnh SEM có độ phóng đại 1000 lần ở điện áp 5,0 kV cho thấy sợi của vải GM10 thực tế là một tép gồm nhiều sợi đơn nhỏ có liên kết, trong khi đó sợi vải TS65 không có cấu trúc này, dường như được gia công và tạo hình từ nguyên khối vật liệu Polyfelt. 3.2. Kết quả phân loại cỡ hạt Kết quả phân loại cỡ hạt vật liệu cát xây dựng và cát san lấp trình bày trong bảng 1 và 2 với lượng mẫu phân tích là 100 g. Cát xây dựng có kích thước hạt phân bố đều ở các cỡ hạt lọt sàng trên 840; 840; 500 và 297 chiếm tỷ lệ lớn tương ứng là 18,3 %; 29,1 %; 30,0 % và 22,0 %. Cát có kích thước đều. Theo TCVN 5747-1993, cát san lấp thuộc nhóm đất không dính có cỡ hạt đồng nhất (3 < Cu). Cát san lấp có kích thước hạt lọt sàng cỡ 297 chiếm tới 62,3 % và một phần nhỏ hơn lọt sàng cỡ 125 chiếm 28,8 %. Theo TCVN 5747-1993, cát san lấp thuộc nhóm đất không dính có cỡ hạt không đồng nhất (2 < Cu < 6). Bảng 1. Phân loại cỡ hạt mẫu cát xây dựng Cấp hạt (μm) Khối lượng cấp hạt Lũy tiến trên lưới (%) Hệ số đồng đều Cu theo (1) gram % Lớn hơn 840 17,82 18,31 18,31 Cu ~ 1 500 đến 840 28,26 29,04 47,35 297 đến 500 29,13 29,93 77,28 125 đến 297 21,01 21,59 98,87 53 đến 125 0,63 0,65 99,52 Nhỏ hơn 53 0,47 0,48 100,00 Tổng 97,32 100 Bảng 2. Phân loại cỡ hạt mẫu cát san lấp Cấp hạt (μm) Khối lượng cấp hạt Lũy tiến trên lưới (%) Hệ số đồng đều Cu theo (1) gram % Lớn hơn 840 2,27 2,31 2,31 Cu ~ 4 500 đến 840 0,58 0,59 2,90 297 đến 500 2,16 2,20 5,10 125 đến 297 61,22 62,36 67,46 53 đến 125 28,23 28,76 96,22 Nhỏ hơn 53 3,71 3,78 100,00 Tổng 98,17 100 3.3.Trở lực tắc nghẽn Ký hiệu Cát xây dựng là A; Cát san lấp là B. Tỷ lệ thành phần đất hay cát tính bằng phần trăm ghi trên trục hoành tương ứng với các giá trị đo được của tỷ lệ gradient và kết quả đo tắc nghẽn trung bình thể hiện qua tỷ lệ gradient trong hình 3. Hình 3.Biểu đồ tắc nghẽn hệ đất - vải Cát xây dựng (A) là loại cát hạt thô chứa một phần nhỏ hàm lượng hạt sét, có kích thước đồng nhất. Nhồi cát xây dựng A vào trong ống ứng với điều kiện thử cột áp 200 mm tỷ lệ tắc nghẽn của hai loại vải GM10 và TS65 tương ứng 1,41 và 1,15. Cát san lấp (B) có kích thước hạt mịn hơn nhiều làm tăng trở lực và thay đổi tỷ lệ gradient. Vải không dệt có bước ngoặt tại thành phần (25A+75B) trong khi đó vải GM10 có thay đổi nhưng không lớn, được giải thích bằng cấu trúc vải dệt, kích thước độ mở đều làm cho trở tắc nghẽn thay đổi đều. So sánh giữa vải GM10 và vải có tráng dung dịch PVC (GM10B), trở lực tăng lên ở GM10B. Tỷ lệ này tương ứng từ 1,2 đến 1,3 lần ở các thành phần của vật liệu nhồi. Việc tăng trở lực liên quan tới việc giảm độ mở biểu kiến của vải do tráng dung dịch PCV biến tính. Căn cứ theo giá trị khuyến cáo của Công binh Hoa Kỳ về tỷ lệ tắc nghẽn giới hạn là 3,0 thì cả hai loại vải trên có thể sử dụng trong lĩnh vực Địa kỹ thuật. Việc gia tăng hàm lượng cát B trong tỷ lệ cấp phối trộn giữa hai loại cát sẽ làm gia tăng khả năng tắc nghẽn. 3.4. Lưu lượng thấm qua Giá trị thấm xuyên đo được tính chuyển đổi về lưu lượng thấm L/m2/s. Kết quả đo lưu lượng thấm trung bình theo cột áp trình bày trong hình 4. Kết quả đo lưu lượng thấm chỉ ra sự khác biệt lớn giữa loại vải không dệt TS65 và vải dệt GM10. Lưu lượng thấm của vải không dệt gấp tới 30 lần vải dệt và tỷ lệ nghịch với gradient trở lực. Tốc độ thấm cao rất phù hợp cho mục đích rút/ thoát nước (hình 4). So sánh biến thiên lưu lượng thấm của hai loại GM10 và GM10B, giá trị của lưu TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016 49 lượng thấm tăng theo mức tăng của cột áp. Ở cột áp thấp dưới 100 mm vải GM10B có lưu lượng thấm qua nhỏ và cũng tăng theo độ tăng của cột áp (0,25 – 0,45 L/m2/s). Ở giá trị cao hơn của cột áp có sự tăng nhanh lưu lượng thấm qua tới 1,73 L/m2/s ứng với cột áp 200 mm. Như vậy, tẩm PVC vào làm giảm độ mở biểu kiến, làm giảm lưu lượng thấm qua ở cột áp thấp. Mặt khác, PVC có tác dụng liên kết các bó sợi, nhờ liên kết này mà ở cột áp cao các bó sợi không bị tòe ra tránh được sự tắc nghẽn do các hạt sét hoặc cát mắc vào thân sợi gây tắc nghẽn như ở GM10. Nhận xét: Liên quan tới tỷ lệ gradient thủy lực của hệ đất - vải cho thấy ở tỷ lệ thấp của cát san lấp (có hệ số cỡ hạt không đồng nhất lớn) khả năng hoạt động tốt của hệ thủy lực (chỉ số tắc nghẽn nhỏ hơn 3 đơn vị). Với hàm lượng cát chứa hạt không đồng nhất cao hơn hoặc cát san lấp (100 %) hệ thủy lực vải dệt GM10 và đất phù hợp hơn. Trong thí nghiệm về lưu lượng thấm, vải TS65 (vải địa kỹ thuật không dệt) có ưu thế vượt trội với lưu lượng thấm cao hơn nhiều lần. Hình 4. Biểu đồ lưu lượng thấm theo cột áp 4. Kết luận Nghiên cứu đã phân tích cỡ hạt của hai loại đất cát (có nguồn gốc từ sông rạch tỉnh Đồng Tháp) có khả năng ứng dụng thực tế trong hệ thủy lực đất - vải. Hai loại đất/ cát được dùng phổ biến ở khu vực TP. HCM, trong đó loại cát có cỡ hạt thô hơn dùng cho xây trát, còn loại cát có kích thước hạt nhỏ hơn và kém đồng nhất hơn dùng cho san lấp nền công trình. Thông số về thủy lực được xác định cho hai loại vải địa kỹ thuật phổ biến là dệt tương ứng GM10 và không dệt TS65. Các chỉ tiêu chỉ ra trong điều kiện thực nghiệm (gần với chế độ hoạt động) hệ đất - vải ứng với đất hỗn hợp có chỉ tiêu tắc nghẽn nằm trong giá trị khuyến cáo của Công binh Hoa Kỳ có thể dùng trong lĩnh vực Địa kỹ thuật (nhỏ hơn 3 đơn vị). Liên quan tới lưu lượng thấm, vải không dệt TS65 có ưu thế vượt trội với tốc độ thấm cao gấp khoảng 30 lần vải dệt thoi GM10. Như vậy, nếu dùng cho mục đích tiêu, rút nước ở chỉ tiêu này vải không dệt có ưu thế hơn. Việc tráng dung dịch PVC biến tính lên vải (GM10B) nhằm mục đích liên kết các xơ trong sợi dệt cố định sợi ngang với sợi dọc tăng độ bền vải..., chống UV ở một số vị trí công nghệ trên ống vải. Tuy nhiên lớp phủ PVC cũng ảnh hưởng đến đặc tính thủy lực như tăng trở lực tắc nghẽn, giảm lưu lượng thấm qua ở cột áp thấp. Việc điều chỉnh cột áp cao phù hợp trong ứng dụng là kiến nghị khi dùng giải pháp này. Việc chọn các loại vải địa kỹ thuật cho mục đích sử dụng còn phụ thuộc vào các nhóm thông số kỹ thuật và kinh tế. Trong ứng dụng đê mềm thông số bền cơ học và kháng môi trường có giá trị đặc biệt quan trọng cần được cân nhắc. Lời cảm ơn Nghiên cứu được thực hiện với sự hỗ trợ của Bộ Khoa học Công nghệ thông qua Chương trình Nghiên cứu ứng dụng và Phát triển công nghệ vật liệu mới mã số KC.02/11-15  Tài liệu tham khảo [1] Joserph E. Fluet, et. al., (1987), Geotextile Testing and the Design Engineer, ASTM special technical publication; 952, USA. [2] K. R. Datye, V. N. Gore (1994), “Application of natural geotextiles and related products”, Elsevier, Vol, 13, Issues 6–7, P. 371–388. [3] Robert M. Koerner (2005), Designing with Geosynthetics, 5th Edition, Prentice Hall. [4] Bộ Khoa học công nghệ (2010), TCVN 8483: 2010 Vải địa kỹ thuật – Phương pháp xác định độ dẫn nước. Tiêu chuẩn quốc gia. [5] D 4491 – 99a, Standard Test Methods for Water Permeability of Geotextiles by Permittivity (2014). [6] Nguyễn Văn Lân (2004), Vật liệu dệt, NXB ĐH Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh. Ngày nhận bài: 23/11/2015 Ngày chấp nhận đăng: 07/12/2015 Phản biện: TS. Nguyễn Khánh Lân