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 CÔNG TRÌNH NGẦM Chuyên ngành : Xây dựng công trình ngầm và mỏ
Mã số : 62.58.50.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2012
Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Xây dựng công trình Ngầm và Mỏ,
Khoa Xây dựng Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học:
GS. TS Nguyễn Quang Phích Phản biện 1: PGS.TS. Bạch Trọng Phúc

Phản biện 2: PGS.TS. Ngô Thị Xuân Hằng

compozit sử dụng trong ngành Mỏ”. Tạp chí công nghiệp Mỏ, số 6, tr.5-6.

5. Nguyễn Mạnh Khải, Nguyễn Quang Phích (2001), “Nghiên cứu khảo
sát khả năng bám dính của nhựa polyester không no và sợi thuỷ tinh
trong vật liệu polyme-compozit”. Tuyển tập các công trình khoa học
Đại Học Mỏ - Địa chất, số 23, tr. 55-57.

6. Phạm Minh Đức, Nguyễn Mạnh Khải (2000),“Chế tạo thử nghiệm một
số sản phẩm từ vật liệu polyme-compozit sử dụng trong ngành Mỏ”.
Hội nghị Khoa học Đại học Mỏ - Địa chất lần thứ 14, Hà Nội, tr.87-92.

1
PHẦN MỞ ĐẦU
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, neo với
vai trò kết cấu chống tạm và chống cố định trong xây dựng công 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 công 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 quá trình thi công chia gương ở các công 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

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 quộc phòng
… Song các công 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 công 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 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 không bị ăn mòn, chịu mài mòn cao. Ngoài ra vật liệu
này lại cho phép dễ gia công, 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 công trình ngầm” được hình thành xuất phát từ các yêu cầu
thực tế và các tiến bộ khoa học trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Mục đích của
công 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 công trình
ngầm dân dụng nói chung và khẳng định vai trò nghiên cứu xu hướng hội nhập
quốc tế.

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 công nghệ thích hợp để chế tạo polyme-clay

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 công trình ngầm nói chung hay
khoa học vật liệu nói riêng. Những kết quả nghiên cứu ban đầu này 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 công 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 công 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.

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.

NHỮNG NỘI DUNG CƠ BẢN CỦA LUẬN ÁN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ 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 CÔNG 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 công tác chống giữ các công trình ngầm trên thế giới. Hàng

4
năm tại Liên Xô (cũ) đã chống giữ khoảng 500 km đường lò đá bằng neo. Tại

đương thép, nhưng khắc phục được một số nhược điểm của thép như độ bền cắt

5
thấp hơn, chính yếu tố này tạo điều kiện thuận lợi khi nổ mìn tiến gương, hoặc tổ
hợp máy đào, máy khấu than cần tiến qua, đồng thời lại bền trong môi trường vi
khí hậu nóng ẩm và trọng lượng bằng 1/4 trọng lượng của thép, cuối cùng là tính
phù hợp về kích thước trong thi công của thanh cốt neo polyme-compozit tốt hơn
thanh cốt neo thép rất nhiều. Như vây, có thể thấy rằng thanh cốt neo polyme-
compozit cốt sợi thủy tinh có thể thay thế và khắc phục được một số nhược điểm
của neo thép có cùng mục đích sử dụng.
Cũng theo những kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy rằng, nếu trong
vật liệu polyme có chứa một hàm lượng thích hợp từ 0,5÷5% “clay” kích thước
nanomet, thì sẽ tạo ra một bước nhảy vọt về tính chất cơ lý của vật liệu polyme-
clay nanocompozit như độ bền kéo tăng gấp 3 lần so với thép, nhưng độ bền cắt
lại thấp hơn thép, có thể cho phép tạo sản phẩm có độ cứng cao, bền nhiệt, nước
và không bị ăn mòn điện hoá, hoá học, chịu mài mòn cao, ngoài ra tính phù hợp
về kích thước rất cao như: uốn dẻo, cưa cắt dễ, chiều dài tuỳ ý. Vì vây, nó hoàn
toàn có thể đáp ứng được là một vật liệu thay thế vật liệu thép làm cốt neo chống
giữ công trình ngầm nói chung.
Song việc nghiên cứu ứng dụng về vật liệu polyme-compozit nói chung,
cũng như thanh cốt neo polyme-compozit cốt sợi thuỷ tinh và thanh cốt neo
polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh nói riêng trong chống giữ công trình
ngầm ở nước ta chưa được đầu tư một cách thoả đáng, cho đến thời điểm hiện
nay vẫn chỉ dừng ở khảo sát, thăm dò vật liệu kết dính là polyme-compozit. Do
đó, việc nghiên cứu vật liệu polyme-clay nanocompozit để chế tạo thanh cốt neo
polyme-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh thay thế thanh cốt neo thép có cùng
mục đích sử dụng không những đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, mà còn mang lại
hiệu quả kinh tế trong chống giữ công trình ngầm nói chung ở nước ta là hướng
nghiên cứu có nhiều triển vọng. Hình 1.3 là sơ đồ phân loại neo theo nguyên lý
liên kết làm việc, mà trong đó được bổ sung thêm bởi những kết quả nghiên cứu

- Sợi thuỷ tinh gia cường.
- Một số chất phụ gia: chất pha loãng và đóng rắn…
Công nghệ chế tạo vật liệu polyme-clay nanocompozit trong luận án được
thực hiện theo các bước như sau:
 Lựa chọn vật liệu khoáng sét bentonit có chứa montmorillonit hàm
lượng cao.
 Hữu cơ hoá montmorillonit đã được lựa chọn.
 Cho montmorillonit sau khi đươc hữu cơ hoá khuyếch tán vào
polyme bằng phương pháp trộn hợp cơ học.
 Tạo vật liệu polyme-clay nanocompozit trạng thái xen lớp đến tách
lớp hoàn toàn (expholiated).
1.2.2. Khoáng sét bentonit
Bentonit là một loại khoáng tự nhiên mà thành phần chính là
montmorillonit có công thức hóa học M
x
(Al
4-x
Mg
x
)Si
8
O
20
(OH)
4
và một số khoáng
sét khác như: saponit, nontronit, beidellit… Ngoài ra, người ta còn phát hiện
thấy trong bentonit còn có một số khoáng chất khác nữa như: kaolinit, clorit,
mica và một số khoáng phi sét như: canxit, pirit, thạch cao…, các muối kiềm và
các chất hữu cơ. Bentonit thường được gọi theo tên khoáng vật chính là

0
tuỳ thuộc vào lượng nước bị hấp
phụ vào khoảng không gian giữa hai lớp cấu trúc tinh thể. Khoảng cách này có
thể tăng đến gần 30A
0
khi thay thế các cation trao đổi bởi các ion vô cơ phân
cực, các phức cơ kim, các phân tử oligome hữu cơ… Trong luận án, NCS đã
khảo sát, lựa chọn bentonit ở 4 tỉnh đó là Lâm Đồng, Bình Thuận, Thanh Hoá,
Phú Yên và có so sánh với bentonit thương phẩm của 2 Công ty nước ngoài.
1.2.3. Polyme - nhựa epoxy
Polyme nói chung trên thế giới cũng như ở trong nước đã được sử dụng
phổ biến làm nhựa nền trong chế tạo vật liệu compozit ở dạng nhựa nhiệt rắn
hoặc nhựa nhiệt dẻo, tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng của vật liệu, cũng như tính
phổ biến, thông dụng trên thị trường và sự đơn giản khi điều chỉnh tốc độ phản
ứng đóng rắn, để người ta lựa chọn polyme làm nhựa nền.
Như đã trình bày trong phần mở đầu, đó là thanh cốt neo polyme-clay
nanocompozit được nghiên cứu chế tạo cần có khả năng chịu kéo cao (tương
đương với thép), song phải chịu cắt thấp hơn thép và bền trong môi trường vi khí
hậu ẩm ướt và không bị ăn mòn điện hoá hay hoá học. Đồng thời thanh cốt neo 8
được nghiên cứu chế tạo từ claynano với sợi tăng cường trên cơ sở nhựa nền
thương phẩm. Do đó, tác giả đã lựa chọn polyme nhựa nền là nhựa epoxy, vì:
- Epoxy được sử dụng nhiều trong công nghiệp compozit. Do những đặc
tính cơ học cao của nhựa epoxy, người ta sử dụng nó để tạo ra compozit có độ
bền cao, phục vụ các ngành: chế tạo máy bay, vũ trụ, tên lửa
- Nhựa epoxy với những ưu điểm cơ bản như: tính chất cơ học cao (kéo, nén,
uốn, va đập ); chịu được nhiệt độ đến 120C; độ bền hóa học cao; độ co ngót thấp
(0,5÷1%); thẩm thấu vào vải và sợi rất tốt và khả năng bám dính với kim loại cao.

kính trung bình là 17µm.

9
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA NỀN, THANH CỐT NEO
VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

2.1. PHẦN THỰC NGHIỆM
2.1.1. Các phương pháp nghiên cứu
Đã sử dụng phương pháp xác định dung lượng trao đổi cation (TCVN
8466:2010) để lựa chọn khoáng sét bentonit cho nghiên cứu. Đã chế tạo nhựa
nền, bằng phương pháp nghiền trộn cơ học để phân tán clay được hữu cơ hoá
vào nhựa epoxy đến tách lớp hoàn toàn (expholiated). Để nghiên cứu chế tạo
thanh cốt neo đã sử dụng phương pháp kéo rút qua khuôn ở ba khoảng nhiệt độ
(80, 120,140
0
C). Đã sử dụng các phương pháp hoá lý và vật lý như: phổ XRD,
FT-IR, ảnh SEM, TEM, kính hiển vi kim tương và các phương pháp đo độ bền
cơ học: độ bền kéo, độ bền cắt.

2.1.2. Phương pháp hữu cơ hóa khoáng sét
Bước 1: cân 20g Bentonit cho vào cốc thuỷ tinh, bổ xung 2000 ml nước
cất ở 80
0
C. Sử dụng máy khuấy từ khuấy trong vòng 15 phút, tiếp tục cho siêu
âm trong vòng 2 đến 4 giờ ta được dung dịch huyền phù A.
Bước 2: cân 8,5g didecyl dimethyl amonnium clorua (DDAC-có công thức
hoá học (C
10
H
21

+ Epicote-828 : 90 phần khối lượng
+ Chất pha loãng Heloxy-505 : 10 phần khối lượng
- Khoáng sét đã biến tính được điều chế từ bentonit của Lâm Đồng và Bình
Thuận, theo tỷ lệ 1%; 2%; 3%; 4%; 5%; 6% phần khối lượng so với epoxy.
- Phương pháp phân tán clay vào nhựa epoxy
Tổ hợp vật liệu được khuấy trộn ở nhiệt độ 90
0
C, thời gian khoảng 30
phút. Được để nguội đến 25
0
C. Tiếp tục nghiền trộn trên máy cán ba trục trong
thời gian 3 đến 4 giờ.
2.1.4. Công nghệ chế tạo thanh cốt neo
Chùm sợi thuỷ tinh được kéo qua máng nhựa với tốc độ 5m/phút, qua
khuôn để định dạng và loại bỏ nhựa dư. Khuôn được đặt ở ba vùng nhiệt độ 80 ÷
120 ÷ 140
0
C, sản phẩm tiếp tục được ủ bảo dưỡng ở 80
0
C trong 4 giờ và để ổn

10
định 24 giờ tại nhiệt độ phòng 25
0
C. Để có cơ tính cao, các nhà sản xuất thường
điều chỉnh hàm lượng sợi hợp lý. Vì vậy, NCS lựa chọn khảo sát 5 loại tỷ lệ sợi
thủy tinh theo khối lượng nhựa là 30%; 40%; 50%; 60% và 70% để khảo sát độ
bền cơ học của của vật liệu.
2.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
2.2.1. Khảo sát và lựa chọn khoáng sét bentonit

0
với cường độ bước sóng
500Cps, còn của mont. Bình Thuận d
001
= 27,784 A
0
với cường độ bước sóng
720Cps. Điều này chứng tỏ khả năng phản ứng với didecyl dimethylamonnium
clorua của mẫu bentonit Bình Thuận lớn hơn so với mẫu bentonit Lâm Đồng. Hình 2.6. Cộng phổ đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận
trước và sau khi hữu cơ hóa biến tính

11
2.2.2.3. Phân tích bằng phổ hồng ngoại (FT-IR)
Từ phổ đồ hồng ngoại hình 2.7 đều xuất hiện vệt phổ tại vùng 2800÷2950
cm
-1
, đây là đặc trưng của nhóm hữu cơ có mặt trên bề mặt của bentonit. Tuy
nhiên cường độ phổ của mẫu bentonit Bình Thuận lớn hơn nhiều, điều đó chứng
tỏ khả năng phản ứng của mẫu bentonit Bình Thuận lớn hơn so với mẫu bentonit
Lâm Đồng. Hình 2.7. Phổ hồng ngoại của bentonit Lâm Đồng và Bình Thuận trước và
sau khi hữu cơ hóa

Kết hợp giữa các số liệu phân tích với phổ kế tia X và hồng ngoại (IR) có
thể sơ bộ rút ra nhận xét: khả năng phản ứng với muối amin của bentonit Bình

Lâm Đồng
Bình Thuận
Trước
Sau
Trước
Sau
1
Màu sắc
vàng sẫm
vàng nhạt
ghi sáng
trắng xám
2
d
001
(A
0
)
15,674
26,103
13,857
27,784
3
Kích thước hạt qua rây
0,075 mm
0,075mm
0,075mm
0,075mm

2.2.4. Khảo sát sự phân tán của claynano trong nhựa nền

2
.

13 Hình 2.12. Tỷ lệ 3 % claynano theo khối lượng epoxy
- Tỷ lệ 4% như hình 2.13 cho thấy mức độ phân tán trong epoxy có cải
thiện rõ rệt so với tỷ lệ 3%, hiện tượng kết búi ở hai mẫu vẫn còn, nhưng ở mẫu
M
1
không đáng kể, mẫu M
2
thì rất rõ với những đám đen lớn và mẫu M
1
cho
thấy có độ phân tán tốt hơn mẫu M
2
. Hình 2.13. Tỷ lệ 4 % claynano theo khối lượng epoxy
- Tỷ lệ 5% như hình 2.14 cho thấy mức độ phân tán trong epoxy tương đối
đồng đều ở cả hai mẫu, hiện tượng kết búi chỉ còn ở mẫu M
2
, nhưng mức độ
thấp hơn so với mẫu cùng loại ở 4%, và mẫu M
1
cho thấy có độ phân tán tốt hơn
hẳn so với mẫu M

thì khoảng cách cơ bản d
001
của clay Lâm Đồng, Bình Thuận, lần lượt
là 26,924A
0
và 27,536A
0
. Điều này, có thể rút ra nhận xét là epoxy không
khuếch tán được vào khoảng cách giữa các lớp montmorillonit ở tỷ lệ 1%. 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
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

Phổ đồ hình 2.17 cho thấy sau khi phối trộn với epoxy, thì khoảng cách cơ
bản d
001
của clay Lâm Đồng, Bình Thuận, lần lượt là 27,924 A
0
và 27,499A
0
.
Như vậy là khoảng cách d
001
có sự thay đổi đối với clay Lâm Đồng, còn

còn nhỏ đi, TEM cho thấy phần lớn ảnh là màu đen kết búi của claynano. Với
clay Bình Thuận, d
001
tăng lên và ảnh TEM cho thấy có sự khuếch tán của epoxy
vào claynano, tuy nhiên chưa nhiều và đều đặn. Song, khả năng chèn trong epoxy
của claynano M
1
(Bình Thuận) tốt hơn nhiều so với M
2
(Lâm Đồng). 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

Hình 2.19 là phổ đồ của 2 loại clay này sau khi phối trộn với epoxy với tỷ
lệ 5%. Peak tại 2 = 2
0
, cho khoảng cách cơ bản d
001
lần lượt là 33,83 A
0
và
29,191A
0
. Như vậy là khoảng cách d
001
có sự thay đổi đáng kể, điều này cho
thấy có sự khuếch tán của epoxy vào claynano. Song ở M
2

Phổ đồ 4% của claynano Lâm Đồng và Bình Thuận trong epoxy cũng gần
tương tự như 5% của claynano Lâm Đồng và Bình Thuận trong epoxy và ảnh
TEM cũng cho thấy điều đó, nên NCS không trình bầy ở đây để tránh trùng lặp
và chỉ xin trình bầy những vấn đề đặc trưng.
Từ những kết quả nghiên cứu trên đây có thể rút ra một số kết luận như sau:
- Thành công bước đầu việc hữu cơ hóa biến tính khoáng sét Lâm Đồng
và Bình Thuận.
- Phối trộn thành công clay của Lâm Đồng và Bình Thuận ở nhiệt độ
thường trong epoxy nền với kích thước nanomet dạng bóc lớp.
- Tỷ lệ claynano của 2 loại khoáng sét này trong epoxy nền từ 2% ÷ 5%
theo trọng lượng là tương đối phù hợp.
- Giá trị khoảng cách cơ bản d
001
của clay Lâm Đồng khi phối trộn với
epoxy không ổn định, thay đổi thất thường và ngược lại clay Bình Thuận ổn định
hơn, hay nói cách khác claynano Lâm Đồng kém hơn claynano Bình Thuận.
2.2.5. Kiểm tra tính chất cơ lý của nhựa nền

17
Mẫu được kiểm tra theo tiêu chuẩn ISO 527-4:1997 tại Trung tâm đo
lường tiêu chuẩn khu vực I. Kết quả được thể hiện trên hình 2.22 và hình 2.23. Hình 2.22. Ứng suất kéo nhựa nền với các
tỷ lệ khác nhau của claynano Bình Thuận
trong nhựa epoxy
Hình 2.23. Ứng suất kéo nhựa nền với
các tỷ lệ khác nhau của claynano
Lâm Đồng trong nhựa epoxy
Từ những kết quả thí nghiệm trên hình 2.22 và hình 2.23, cho thấy vật liệu

hai pha trên bề mặt phân chia.
2.2.7. Khảo sát sự phân bố sợi thủy tinh trong pha nền epoxy-claynano

18
Quan sát mặt cắt của vật liệu bằng kính hiển vi kim tương theo các tỷ lệ thí
nghiệm 30%, 40%, 50%, 60% và 70% phần khối lượng sợi thủy tinh trong vật
liệu compozit với độ phóng đại 25 lần (hình 2.27). Hình 2.27. Ảnh kính hiển vi kim tương với độ phóng đại 25 lần
Với hàm lượng 50% ÷ 60% sợi, có thể quan sát thấy sự phân bố sợi và
nhựa tương đối đồng đều trong vật liệu tổ hợp.
2.2.8. Kiểm tra khả năng chịu kéo của vật liệu với các tỷ lệ sợi khác nhau
Đã tiến hành kiểm tra khả năng bền kéo của vật liệu theo tiêu chuẩn ISO
527-4, thực hiện kéo mẫu trên máy kéo nén T-50 của Liên Xô (cũ). Tại đồ thị
hình 2.30 cho thấy vật liệu đạt giá trị cực đại ở giá trị hàm lượng 60% phần khối
lượng sợi thuỷ tinh.
2.2.9. Kiểm khả năng chịu cắt của vật liệu với các tỷ lệ sợi khác nhau
Để xác định lực cắt của vật liệu polyme-compozit, theo tiêu chuẩn ASTM
4475-96. Tại đồ thị hình 2.32 cho thấy vật liệu đạt giá trị cực đại ở giá trị hàm
lượng 60% phần khối lượng sợi thuỷ tinh.

Hình 2.30. Đồ thị tương quan ứng suất
kéo với các tỷ lệ sợi thủy tinh

Chiều dài chất dẻo
kết dính (cm)
Tải trọng cực
đại (kN)
1
22
28
30,5
97
2
22
28
32,0
95
3
22
28
31,5
89
4
22
28
29,5
71
5
22
28
31,0
95
6

22
28
29,5
97
13
22
28
29,0
11
14
22
28
28,0
87
15
22
28
29,5
92
Kết luận: Kết quả ban đầu của cốt neo epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ
tinh với chất kết dính dẻo do Viện KHCN Mỏ sản xuất đạt yêu cầu kỹ thuật.

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH NEO VÀ
CHỐNG THỬ NGHIỆM

Được sự đồng ý của Công ty TNHH than Hồng Thái, Công ty than Uông
Bí-TKV; Phòng Xây dựng mỏ và Viện KHCN mỏ, NCS đã tiến hành thử
nghiệm chống lò dọc vỉa đá V10 mức +30 khu Tràng Khê II bằng thanh cốt
epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thuỷ tinh xen kẽ giữa các hàng neo chất dẻo
cốt thép theo hộ chiếu chống lò và dây chuyền công nghệ đang thi công tại đây

Các thông số địa chất thuỷ văn chủ yếu như sau:
- Độ cao mực nước tĩnh: Z
+200
= 255m; Z
+115
= 245m; Z
+30
= 245m
- Hệ số thấm: K
tb
= 0,05m/ng.đ; K
max
= 0,103m/ng.đ.
Nước dưới đất có độ pH = 6  7, hàm lượng CO
2
= 10  15mg/l, hàm
lượng sắt từ 0,3  13mg/l, thuộc loại axit yếu.
3.2. Cơ sở lựa chọn và hộ chiếu chống lò
Hiện tại, đường lò dọc vỉa đá mức + 30 vỉa 10 - khu Tràng Khê III được bố
trí trong lớp đá trụ và cách vỉa than khoảng 30  40m, trung bình 35m. Như vậy,
đường lò này nằm ngoài vùng ảnh hưởng và tác động của áp lực tựa lò chợ.
Công tác thiết kế chống neo, phun bê tông trong các đường lò thường dựa
vào các số liệu khảo sát địa chất, đo đạc ban đầu và khi cần thiết sẽ được điều
chỉnh thay đổi sao cho phù hợp với điều kiện địa chất thực tế trong suốt quá
trình thi công. Trên hình 3.1 là mặt cắt ngang đặc trưng của hộ chiếu chống lò
dọc vỉa đá V10 + 30 quay Đông khu Tràng Khê II. Bảng 3.8 là các thông số kỹ
thuật cơ bản của hộ chiếu chống lò.

21


2,00
2,20

Chiều cao đường lò
h
1

m
3,03
3,15

Góc ma sát trong của đá
φ
độ
75,96
75,96

Hệ số trung bình của đất đá
f
-
4,00
4,00

Hệ số an toàn
k
at

-
1,40
1,40


-
1,20
1,20
6
Khả năng chịu tải của vì neo
P
n

kN/neo
37,3
37,3
7
Khoảng cách giữa các neo
a
m
1,20
1,15

Tính toán, lựa chọn các thông số của vì neo chất dẻo cốt thép
- Số vì neo trong 1 vòng: 6 neo.
- Chiều sâu lỗ khoan neo: 1300 mm.
- Chiều dài thanh cốt neo: 1400 mm.
- Đường kính cốt thép xoắn: Φ22 mm.
- Khoảng cách giữa các neo trong vòng: 1,0 m.
- Khoảng cách các vòng neo: 1,0 m.
3.3. Thanh cốt neo epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh chống
thử nghiệm tại hiện trường
Thanh cốt neo epoxy-clay nanocompozit cốt sợi thủy tinh có những thông
số cơ bản sau đây:

lắp đặt neo epoxy-clay
nonocompozit
cốt sợi thủy tinh - Hộ chiếu chống giữ với bước chống của vì neo là 1m x 1m (được khoan,
lắp đặt xen giữa hai vòng neo chất dẻo cốt thép đã được thi công từ K 400
K 403). Chiều dài thanh neo là 1,4 m. Đường kính cốt neo là 22 mm. Chiều
sâu lỗ khoan là 1,3 m. Đường kính lỗ khoan 32mm. Số lượng thanh neo trong
một vòng là 6 neo. Số lượng vòng neo là 3 vòng (18 thanh neo). Sử dụng 01 thỏi
chất dẻo mã hiệu CK2335 do Viện KHCN Mỏ sản xuất trên dây chuyền công
nghệ của Trung Quốc làm chất kết dính cho mỗi lỗ neo.
- Về dây chuyền công nghệ thi công và biện pháp an toàn, tương tự với thi
công lắp đặt neo chất dẻo cốt thép của Viện Khoa học Công nghệ mỏ - TKV đang
được áp dụng tại công ty TNHH Hồng Thái - Công ty than Uông Bí - TKV. Hình
3.4 mô tả dây chuyền công nghệ thi công lắp đặt vì neo cốt epoxy-clay
nanocompozit cốt sợi thủy tinh tại hiện trường.