Tóm tắt: Sử dụng vật liệu mới để chống thấm, tạo các hồ chứa nước nhỏ được sử dụng nhằm chứa nước cho nông nghiệp, dân sinh và các nhu cầu khác ngày cảng tăng. Khi sử dụng các vật liệu màng chống thấm công trình thuỷ lợi thay thế vật liệu sét, bentonite…cần hiểu các đặc tính kỹ thuật, phạm vi ứng dụng cũng như phương pháp thử các đặc tính trên để lựa chọn và sử dụng loại màng chống thấm phù hợp với điều kiện công trình.

Bài viết này nhằm giới thiệu một số kết quả nghiên cứu, đề xuất phương pháp lựa chọn và xác định các tính chất cơ lý của màng chống thấm phù hợp, phục vụ xây dựng công trình thuỷ lợi nhỏ, có dung tích dưới 50.000m3 nước.

  1. Mở đầu

Hiện nay việc sử dụng màng chống thấm thay thế cho đất sét, thảm sét, bentonite…trong các kết cấu chống thấm của công trình thuỷ lợi như hồ chứa, ao chứa, bể treo…tương đối phổ biến. Trong phạm vi bài viết này chúng tôi giới thiệu đặc tính kỹ thuật và phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu địa kỹ thuật để áp dụng vào trong khi thiết kế, thi công, vận hành các công trình thuỷ lợi nói trên có dung tích dưới 50.000m3.

Đồng thời cũng có thể tham khảo kết quả nghiên cứu này khi thiết kế thi công kết cấu chống thấm bảo vệ mái đập đập đất, đập đá,… hoặc làm lớp chống thấm trong công trình xử lý chất thải, các mỏ khai khoáng, các nhà máy chế biến dầu mỏ…chống ô nhiễm nguồn nước, bảo vệ môi trường, kết hợp với sử dụng tài liệu chỉ dẫn do nhà máy sản xuất màng chống thấm cung cấp, để tối ưu hoá việc sử dụng màng chống thấm.

  1. Một số khái niệm và đặc trưng kỹ thuật về màng chống thấm.
  2. Định nghĩa:

Màng chống thấm là sản phẩm polyme tổng hợp ở dạng cuộn hoặc tấm, có hệ số thấm rất thấp K=10-12 đến 10-16cm/s được sử dụng để chống thấm cho công trình.

  1. Thành phần cấu tạo màng chống thấm.

Màng chống thấm chế tạo từ polyme và các chất phụ gia. Tỷ lệ phối liệu các chất tuỳ thuộc vào đơn pha chế của nhà máy sản xuất hoặc theo yêu cầu kỹ thuật của loại công trình cụ thể.

Loại màng HDPE High Density PolyEthylene có thành phần cơ bản gồm: 95% -97% polyme; 2,0% -2,7% bột than; còn lại là chất chống tia cực tím, chất chống ôxy hoá và chất ổn định nhiệt.

  1. Đặc trưng của sản phẩm.

Màng chống thấm dưới dạng cuộn có trọng lượng từ 1300kg/cuộn đến 1400kg/cuộn. Nhãn mác được dán hoặc in sẵn trên sản phẩm có các thông tin sau: Tên, chủng loại sản phẩm; kích thước: độ dày mm x dài mx rộng m; số lo, số seri; ngày, tháng, năm sản xuất; địa chỉ, điện thoại, fax, email.

Kèm theo sản phẩm là chứng chỉ chất lượng hàng hoá, các tài liệu hướng dẫn lắp đặt màng chống thấm và kiểm tra chất lượng công trình.

  1. Các đặc trưng kỹ thuật cơ bản của màng chống thấm.

-Độ dày Thickness: Là khoảng cách đo bằng mm giữa hai bản mặt của thiết bị đo khi tiếp xúc với hai mặt của màng chống thấm với lực ép không đổi là 20kPa trong thời gian 5 giây.

-Tỷ trọng Density: Là khối lượng trong không khí của phần vật liệu không thấm nước, ở 23oC tính bằng kg/m3; g/cm3; g/cc;

– Chỉ số chảy dẻo Melt Flow Index: g/ 10 phút g/10min;

– Cường độ chịu kéo Tensile Strength: Là ứng suất lớn nhất trên mặt cắt ngang nhỏ nhất ban đầu của mẫu thí nghiệm trong quá trình kéo, tính bằng KN/m; N/mm; Lbs/in Pounds-force;

– Độ giãn dài Elongation: Là tỷ số giữa chiều dài của mẫu tại thời điểm bất kỳ trong quá trình kéo và chiều dài ban đầu của mẫu thí nghiệm, tính bằng %;

– Độ bền kháng xé Tear Resistance: Là lực làm rách màng chống thấm ở tốc độ xé 50mm/phút, tính bằng N hoặc Lbs.

– Độ bền kháng thủng Puncture Resistance: Là lực làm thủng màng chống thấm khi cho thanh chọc hình trụ có đường kính 8mm xuyên vuông góc với bề mặt màng với tốc độ 300mm/phút, tính bằng N hoặc Lbs.

– Hàm lượng cacbon Cacbon black content: %

Ghi chú: Tuỳ theo yêu cầu cụ thể  của công trình, ngoài các đặc trưng trên, tư vấn thiết kế có thể yêu cầu thêm các chỉ tiêu về thời gian ôxy hoá Oxitative induction time-OIT và kháng tia cực tím UV resistance.

III. Phương pháp lựa chọn vật liệu và thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý của màng chống thấm phục vụ xây dựng công trình thuỷ lợi.

  1. Phương pháp lựa chọn vật liệu.

Trường hợp người thiết kế không chỉ định đích danh loại màng chống thấm cần sử dụng mà chỉ đưa ra yêu cầu kỹ thuật của màng, việc lựa chọn vật liệu phải qua các bước sau:

– Bước 1: Thu thập thông tin: trên cơ sở danh mục giới thiệu sản phẩm của nhà sản xuất cung cấp, chọn một vài loại vật liệu có đặc tính kỹ thuật tương đương hoặc tốt hơn so với thiết kế.

– Bước 2: Kiểm tra lấy mẫu từ nhóm vật liệu lựa chọn gửi tới các phòng thí nghiệm chuẩn để xác định các tính chất cơ lý. Để tăng độ tin cậy, nên đồng thời gửi mẫu đến các phòng thí nghiệm khác nhau.

– Bước 3: Lựa chọn nhà cung cấp: Từ các số liệu thí nghiệm kiểm tra mẫu vật liệu, kết hợp các yếu tố khác như: khả năng cung cấp của nhà sản xuất, giá thành sản phẩm…chọn loaị vật liệu đưa vào sử dụng. Công ty TNHH Diệu Châu là đơn vị chuyên cung cấp các loại màng chống thấm (APP bitumen waterproof membrane).

Trường hợp trong bản vẽ thiết kế ghi rõ tên loại vật liệu cần sử dụng thì việc lựa chọn vật liệu bắt đầu từ bước 2.

  1. Phương pháp thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý màng chống thấm.

Các chỉ tiêu cơ lý và phương pháp thí nghiệm màng chống thấm nêu ở bảng 1. Việc lựa chọn chỉ tiêu để thí nghiệm do tư vấn quy định cho từng loại công trình cụ thể.

Bảng 1. Các chỉ tiêu và phương pháp thí nghiệm màng chống thấm.

STT Chỉ tiêu Phương pháp thí nghiệm Đơn vị đo
1 Độ dày tiêu chuẩn ASTM-D5199 mm, mil
2 Tỷ trọng ASTM-D792 g/cm3, kg/m3
3 Cường độ chịu kéo tại điểm đứt ASTM-D638/DạngIV KN/m
4 Cường độ chịu kéo tại điểm uốn ASTM-D638/DạngIV KN/m
5 Độ giãn dài tại điểm đứt ASTM-D638/Dạng IV %
6 Độ giãn dài tại điểm uốn ASTM-D638/Dạng IV %
7 Độ bền kháng thủng ASTM-D4833 N
8 Độ bền kháng xé ASTM-D1004 N
9 Hàm lượng cacbon ASTM-D1603 %
10 Chỉ số chảy dẻo ASTM-D1238 g/10min

 

a.Phương pháp xác định đọ dày tiêu chuẩn màng chống thấm.

Độ dày màng chống thấm được xác định theo tiêu chuẩn ASTM – D5199.

Phương pháp đo: Độ dày tiêu chuẩn của vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp được xác định bởi khoảng cách giữa hai bản mặt của thiết bị đo khi tiếp xúc với hai mặt của màng địa kỹ thuật với lực ép tiêu chuẩn 20kPa trong thời gian 5 giây.

Thiết bị thí nghiệm:

+ Khuôn lấy mẫu: Chế tạo bằng thép, hình tròn đường kính 75mm.

+ Thiết bị đo: Các bộ phận của thiết bị đo, gồm: đồng hồ bách phân có độ chính xác 0,02mm; bàn ép trên, chuyển động lên xuống, hình tròn đường kính 56,4mm2,22in phía trên chất tải.

Khi đo độ dày màng chống thấm, áp lực lên mẫu đo là 20kPa ±0,2 2,9±0,03psi; chiều dày tối đa cho phép của mẫu là 10mm.

Mẫu thí nghiệm: Hình tròn đường kính 75mm. Lấy mẫu bằng dụng cụ chuẩn.

+ Số lượng mẫu đo: 10 mẫu.

+ Điều hoà mẫu trong điều kiện: Áp suất khí quyển; nhiệt độ: 21 ± 2oC; độ ẩm: 60 ± 10%; thời gian 24 giờ hoặc được tính bởi thời gian giữa hai lần cân liên tiếp mà trọng lượng mẫu không thay đổi quá 0,1% nhưng không dưới 2 giờ.

Trình tự thí nghiệm: Quá trình đo độ dày màng chống thấm được tiến hành như sau:

Chuẩn bị 10 mẫu đã được điều hoà trong điều kiện trên; đặt tải trọng 20kPa lên bàn ép trên bàn ép di động; chỉnh tăng bằng bán ép dưới bằng giọt nước; chỉnh đồng hồ bách phân về 0; kéo cần nâng bàn ép, từ từ hạ cần nâng, khi bàn ép trên tiếp xúc với mặt mẫu thả cần nâng và bấm đồng hồ giây; chờ 5 giây đọc chỉ số trên đồng hồ bách phân kế và ghi kết quả.

Tính toán kết quả: Chiều dày màng chống thấm là giá trị trung bình cộng của 10 mẫu thử.

T=T1+T2+…+T10/10,mm                    3.1

  1. Phương pháp xác định tỷ trọng tương đối và khối lượng riêng của màng chống thấm.

Sử dụng theo tiêu chuẩn ASTM-D792 dùng để xác định khối lượng riêng của chất nhựa rắn ở dạng màng, cọng, ống và các sản phẩm tương tự.

Tỷ trọng tương đối: Là tỷ trọng của khối lượng trong không khí của phần vật liệu không thấm nước ở 23oC và hiệu số của khối lượng trong không khí và khối lượng của chính nó trong nước tinh khiết không có bọt khí ở cùng nhiệt độ. Ký hiệu là Sp 23/23oC.

Tỷ trọng khối lượng riêng: Là khối lượng trong không khí của phần vật liệu không thấm nước ở 23oC. Ký hiệu là D23, đơn vị:kg/m3.

Phương pháp đo: Xác định khối lượng của mẫu thử trong không khí; nhúng mẫu vào nước cất, xác định khối lượng của mẫu trong nước; tính tỷ trọng tương đối của mẫu từ đó suy ra tỷ trọng của mẫu.

Thiết bị thí nghiệm: Cân phân tích có độ chính xác 0,05%; kẹp để giữ mẫu trong chất lỏng; vạt nhấn chìm mẫu vào chất lỏng thường dùng cục chì có đặc điểm: Không bị ăn mòn trong chất lỏng, có khối lượng riêng không nhỏ hơn 7, có bề mặt trơn nhẵn, không sắc nhọn; ống chứa chất lỏng có khắc vạch đo thể tích; nhiệt kế có độ chính xác ±0,1oC; nước cất đã loại bỏ hoàn toàn bọt khí.

Mẫu thử: Là những mẫu, miếng riêng rẽ lấy từ vật liệu có kích thước và hình dạng bất kỳ, trọng lượng không quá 50gr; điều hoà mẫu trong điều kiện tiêu chuẩn, nhiệt độ: 23 ±2oC, độ ẩm: 50±5%.

Trình tự thí nghiệm: Đo và hiệu chỉnh nhiệt độ của nước trong ống lường là: 23 ±0,1oC;

Cân mẫu bằng cân phân tích chính xác tới 0,1mg trong không khí;

Cân trọng lượng mẫu, kẹp giữ mẫu, vật nhấn chìm trong nước.

Tính tỷ trọng tương đối của mẫu theo công thức: Sp 23/23oC = a/a+w-b            3.2

Trong đó:

a- Khối lượng thực của mẫu trong không khí không có kẹp giữ mẫu và vật nhấn chìm mẫu

b- Khối lượng thực của mẫu và kẹp giữ mẫu, vật nhấn chìm trong nước.

w- Tổng khối lượng của kẹp giữ và vật nhấn chìm.

Khối lượng riêng của mẫu được tính theo công thức sau:

D23 =  Sp 23/23oC x 997,5  kg/m3                             3.3

Trong đó: 997,5 là tỷ trọng của nước ở 23oC, kg/m3.

  1. Phương pháp xác định cường độ chịu kéo của màng chống thấm.

Tiêu chuẩn ASTM – D638 dạng IV dùng để xác định các tính chất chịu kéo của màng chống thấm có chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng 4mm; tiêu chuẩn ASTM – D638 dạng V, Dạng II: áp dụng cho màng chống thấm có độ dày < 7mm0,28 inche; tiêu chuẩn ASTM – D638 dạng III: áp dụng cho màng chống thấm có chiều dày từ 7mm đến 14mm; các tính chất chịu kéo của màng chống thấm bao gồm: Cường độ chịu kéo tại điểm uốncòn gọi là điểm tới hạn; cường độ chịu kéo tại điểm đứt; độ giãn dài tại điểm uốn và tại điểm đứt.

Thiết bị thí nghiệm, gồm: Máy kéo vạn năng; thiết bị đo độ căng Extension meter; Thước đo

milimet Micrometer: Đo độ dày và chiều rộng mẫu thử.

Mẫu thí nghiệm Dạng IV: có kích thước ở bảng 2.

Bảng 2. Kích thước mẫu dạng IV

Kích thước mẫu Đơn vị
mm inch
W-chiều rộng mặt cắt dải hẹp 6 0,25
L- chiều dài mặt cắt dải hẹp 33 1,3
W0-chiều rộng tổng thể mẫu 19 0,75
L0- chiều dài tổng thể mẫu 115 4,5
G- chiều dài đo 25 1,0
D-khoảng cách ngàm kẹp 65 1,0
R- bán kính đường tròn trong 14 0,56
R0-bán kính đường tròn ngoài 25 1,0

 

Trình tự thí nghiệm: Điều hoà mẫu trong điều kiện tiêu chuẩn, nhiệt độ: 23 ±2oC, độ ẩm: 50±5%, thời gian: 40h.

Điều kiện thí nghiệm: Thí nghiệm mẫu tiến hành dưới áp suất khí quyển: nhiệt độ: 23 ±2oC, độ ẩm: 50±5%.

Tốc độ kéo mẫu: Chọn theo bảng 3. Giá trị, nhỏ dùng cho màng chống thấm từ polyme nhân tạo, độ dãn dài nhỏ; lớn dùng cho màng chống thấm từ vật liệu gốc cao su, độ dãn dài khi kéo lớn.

Bảng 3. Chọn tốc độ kéo mẫu

Đối với loại màng chống thấm mềm, mẫu thí nghiệm chế tạo thêm dạng IV có chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng 4mm, chọn tốc độ kéo 50mm/phút’ 10%  2in ‘10%.

Tính kết quả: Đồ thị biểu diễn quan hệ lực kéo và độ dãn dài của mẫu do máy ghi lại có dạng điển hình còn gọi là đường cong ứng suất.

Lực kéo, N

BT                                    B

 

AT           A

AE                          BE       Độ giãn dài, mmm

Hình1. Đường cong ứng suất

Đường cong ứng suất có những điểm đặc trưng sau: Điểm uốn Yield point hay còn gọi là điểm tới hạn Điểm A: Là điểm mà độ giãn dài tăng trong khi ứng suất kéo không tăng; điểm đứt break point: Là điểm tại đó mẫu thí nghiệm kéo bị phá huỷ hoàn toàn điểm B.

+ Tính cường độ và độ giãn dài:

Cường độ chịu kéo tại điểm uốn Tensile Strength at Yield point: là ứng suất xác định tại điểm uốn giá trị AT, tính bằng lực kéo tại điểm uốn chia cho bề rộng nhỏ nhất của mẫu. Đơn

vị đo là N/mm; KN/m hoặc Lbs/in.

+ Tính phần trăm độ giãn dài Percent Elongation:

E5 = L-Lo /Lo x 100%                               3.4

Trong đó: Lo  – chiều dài ban đầu của mẫu tính bằng mm hoặc inch;

L – Chiều dài mẫu tại thời điểm bất kỳ trong quá trình kéo;

Nếu: LA – chiều dài mẫu tại điểm uốn thì phần trăm độ giãn dài tại điểm uốn là:

EA % = LA – Lo/Lo x 100%                     3.5

LB- chiều dài mẫu tại điểm đứt điểm phá huỷ thì phần trăm độ giãn dài tại điểm đứt là:

EB % = LB – Lo/Lox100%                       3.6

+ Tính độ căng thực độ giãn dài tại điểm bất kỳ: Theo phương trình:

Et = = LnL/Lo                              3.7

Trong đó: Lo – khoảng cách ban đầu;

L – khoảng cách tại điểm bất kỳ trên biểu đồ.

  1. Phương pháp xác định độ bền kháng xé của màng chống thấm.

Tiêu chuẩn ASTM – D1004 dùng để xác định sức kháng xé của màng chống thấm ở tốc độ kéo xé 50mm/phút 2in/min. Đơn vị đo: N Newton hay Lbs Pounds – Force.

Thiết bị thí nghiệm: Thiết bị xác đinh độ bền kháng xé của màng chống thấm là máy kéo vạn năng.

Mẫu thí nghiệm: Hình dạng và kích thước mẫu thí nghiệm xác định độ bền kháng xé của màng chống thấm theo tiêu chuẩn ASTM – D1004 được trình  bày trên hình vẽ.

+ Độ chính xác đối với đơn vị đo chiều dài mẫu là ± 0,002” 0,051mm;

+ Độ chính xác đối với góc lượn của mẫu là ± 0,5o;

+ Số lượng mẫu: Không ít hơn 10mẫu cho mỗi chiều dọc và ngang cuộn.

Điều hoà mẫu trong điều kiện tiêu chuẩn: Nhiệt độ 23 ± 2oC; độ ẩm 50 ± 5%; thời gian: không ít hơn 40h cho một chu kỳ.

Điều kiện thí nghiệm: Nhiệt độ: 23 ± 2oC; độ ẩm 50 ± 5%;

Trình tự thí nghiệm: Chọn ngàm kẹp mẫu có thiết diện 1in 25,4mm; chọn tốc độ kéo 50mm/phút 2 in/min; đo độ dày của mẫu thử, đơn vị đo micro hoặc mil; lắp mẫu đo vào ngàm kẹp mẫu sao cho đường trục của mẫu với đường trung tâm của ngàm kẹp mẫu; sau khi hoàn thiện các bước trên, tiến hành thí nghiệm, cho máy chạy với tốc độ kéo 50mm/phút; ghi giá trị lực kháng xé lớn nhất của mỗi mẫu thử. Lực kháng xé được tính bằng N Newton hay Lbs Pounds – Force.

Tính toán kết quả: độ bền kháng xé của màng theo mỗi chiều ngang, dọc là giá trị bình quân của các mẫu thử, xác định bằng cáh lấy tổng giá trị lực kháng xé lớn nhất của các mẫu thử chia cho số mẫu thử.

T N = ΣTi/n i=1…n                                  3.8

Trong đó: n – số lượng mẫu thí nghiệm

Trong trường hợp không yêu cầu xác định độ bền kháng xé theo mỗi chiều, độ bền kháng xé của màng là giá trị trung bình độ bền kháng xé của 2 chiều.

  1. Phương pháp xác định độ bền kháng thủng của màng chống thấm.

Tiêu chuẩn ASTM –D4833 xác định độ bền kháng thủng áp dụng khi sử dụng màng chống thấm cho đập, bể chứa nước, dàu, dung môi…trong xây dựng, kiến trúc và các hệ khác.

Thiết bị thí nghiệm: Máy kéo nén vạn năng.

Thiết bị kẹp mẫu: có hình tang trống chế tạo bằng thép có hình dạng và kích thước chỉ dẫn trên hình vẽ.

Thanh chọc: chế tạo bằng thép không rỉ có hình dạng và kích thước mô tả trên hình vẽ. Thanh chọc nối trực tiếp với bộ cảm ứng lực bằng ren, trong suốt quá trình thí nghiệm diễn biến sức

kháng thủng của vật liệu hiển thị trên màn hình máy tính hoặc màn hình chỉ thị của máy thí nghiệm.

Mẫu thí nghiệm, được chế tạo từ khuôn lấy mẫu hình tròn đường kính 100 ± 0,5mm. Số lượng từ 10 đến 15mẫu và điều hoà trong điều kiện tiêu chuẩn: Nhiệt độ: 21 ± 2oC; độ ẩm 65 ± 5%;

Thời gian điều hoà mẫu ít nhất là 5h. Nếu khối lượng mẫu giữa 2 lần cân liên tiếp không sai số quá 0,1% thì tiến hành thí nghiệm.

Trình tự thí nghiệm: Lắp mẫu thử vào thiết bị kẹp mẫu sao cho tâm của mẫu thử trùng với tâm của hình vành khăn của thiết bị kẹp mẫu.

Điều chỉnh thiết bị kẹp mẫu để mặt phẳng mẫu vuông góc thanh chọc và tâm cuảt mẫu tiếp xúc với đầu nhọn của thanh chọc.

Chọn tốc độ chạy máy là: 300mm/phút ± 10 12’ ½ inl; cho máy chạy và ghi giá trị lực chọc thủng lớn nhất của thanh chọc;

Tính toán kết quả: Sức kháng thủng của màng chống thấm là giá trị trung bình cộng lực chọc thủng của tất cả mẫu thử, đơn vị đo bằng Newton N

TN = ΣPi/n                                   3.9

Trong đó: n – số lượng mẫu thử.

  1. Kết luận:

Hiện nay cho nhiều loại vật liệu mới được nghiên cứu, sản xuất, áp dụng vào công trình xây

dựng. Các loại vật liệu mới này có nhiều tính năng ưu việt, khi sử dụng vào công trình cụ thể cần phải hiểu rõ đặc tính kỹ thuật của vật liệu, cũng như phương pháp thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý của chúng.

Cùng với sự ra đời của vật liệu mới, các phương pháp thí nghiệm vật liệu cũng được cải tiến và hoàn thiện hơn. Trong tài liệu này chúng tôi đã lựa chọn những phương pháp phù hợp nhất để áp dụng xác định các chỉ tiêu cơ lý của màng chống thấm phục vụ xây dựng các công trình thuỷ lợi.

Thực tế đã có nhiều công trình thuỷ lợi sử dụng màng chống thấm thay thế cho đất sét, thảm sét, bentonite…trong các kết cấu chống thấm của công trình. Quá trình thiết kế, thi công, vận hành khai thác, sử dụng cũng có một số tồn tại cần khắc phục, phần nghiên cứu tiếp theo chúng tôi sẽ đề cập đến các khía cạnh này.

Cần sử dụng đồng thời các tài liệu kỹ thuật về màng chống thấm do các nhà sản xuất cung cấp, cũng như các tài liệu kỹ thuật liên quan để lựa chọn, quyết định sử dụng vật liệu, nhằm đạt hiệu quả cao về kinh tế, xã hội và môi trường.