English
Lưu Vũ Nhựt – NCS tại Nhật Bản
Bê tông 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 lò phản ứng. Kết cấu bê tông gần thùng lò phản ứng được gọi là tường chắn sinh học (biological shielding wall)- BSW (hình 1) bao quanh thùng lò và có chiều dày từ 1-3 mét tùy thuộc vào thiết kế. Trong điều kiện vận hành bình thường, mặt trong BSW chịu thông lượng bức xạ cao (tia neutron và gamma) từ thùng lò, nhiệt độ được kiểm soát dưới 65oC để tránh sự mất nước và thoái 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 thoái hóa do nhiệt ở bê tông kết cấu có thể ảnh hưởng đến khả năng chịu lực trong quá 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 tông 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 toàn vẹn (integrity assessment) của BSW. Vì vậy, nghiên cứu này được tài trợ bởi JAEA để đánh giá các thông số sóng âm cơ bản trong bê tông khi bị thoái hóa nhiệt.
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
- Mất nước mao dẫn (capillary water) trong khoảng 100oC – 500oC
- Phá hủy liên kết trong nước liên kết hóa học (chemically bound water) trên 400o
Cơ chế thoái hóa trên gây co ngót (shrinkage) ở gel. Bên cạnh đó, nhiệt độ cao cũng gây ra sự giãn nở nhiệt ở một số loại đá (thông thường chiếm khoảng 70% thể tích bê tông). Sự thay đổi thể tích không đồng nhất ở gel và đá gây ra nhiều vết nứt và làm giảm cơ tính bê tông.
Phương pháp không phá hủy dựa trên sóng siêu âm được sử dụng rộng rãi trong việc phát hiện sự không liên tục và khuyết tật trong các loại vật liệu khác nhau. Sóng siêu âm truyền trong chất rắn thường bao gồm ba thành phần: (1) sóng dọc (longitudinal wave), trong đó hạt di chuyển cùng với hướng truyền sóng; (2) sóng ngang (shear wave), trong đó hạt di chuyển vuông góc với hướng truyền; và (3) sóng bề mặt (thể hiện rõ khi sóng truyền trong tấm mỏng). Sóng dọc được ứng dụng rộng rãi trong kiểm tra sự thay đổi bên trong vật liệu không có tính định hướng như rỗ khí và không đồng nhất. Trong khi đó, sóng ngang rất nhạy cảm với khuyết tật có định hướng như nứt. Trong bê tông, 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 dò nhận (receiving transducer) sớm hơn gây ra sự chồng chéo tín hiệu ghi nhận.
Để đánh giá tính toàn vẹn, xác định thông số mô đun đàn hồi tại hiện trường là rất quan trọng, tuy nhiên cần xác định cả hai, vận tốc sóng dọc và sóng ngang để tính toán theo công thức (nguồn ASTM C 597 và https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2009.05.003 ):
Trong đó: Ed là mô đun đàn hồi động, ρ là mật độ bê tông, Vp là vận tốc sóng dọc, Vs là vận tốc sóng ngang và là Vd hệ số poisson động. Trong nghiên cứu này, biến đổi Hilbert (Hilbert transformation) được sử dụng để chuyển đổi sóng thu nhận sang dạng đường bao (envelope), từ đó có thể xác định được sóng ngang.
Các mẫu bê tông được trộn có thành phần tương tự với bê tông sử dụng trong các nhà máy điện Fukushima daiichi, bao gồm 157 kg nước, 285 kg cát, 838 kg đá thô, 1% chất phụ gia và tỷ lệ nước/xi măng 0.55. Mẫu được đúc thành hình trụ (φ100 × 200 mm) và được giữ hydrat hóa trong 28 ngày. Mẫu sau 28 ngày đạt cường độ nén trung bình khoảng 40 MPa. Sau đó, mẫu được nung ở các nhiệt độ từ 105oC đến 800 oC. Thời gian và tốc độ nung được tính toán để đảm bảo các quá trình thoái hóa được diễn ra đồng nhất tại các nhiệt độ khác nhau (như bảng 1). Sự thay đổi về màu sắc và xuất hiện nứt bề mặt thể hiện ở hình 2. Kiểm tra siêu âm sử dụng đầu dò 100kHz truyền sóng trực tiếp được kết nối với thiết bị nhận xung OLYMPUS 5077PR và máy hiện sóng TEKTRONIX DPO2022B. Thiết lập thử nghiệm thể hiện như hình 3. Tín hiệu trước và sau khi biến đổi Hilbert thể hiện như hình 4. Bên 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 được kiểm tra để tìm mối tương quan giữa thay đổi trong bê tông với thông số sóng siêu âm.
Bảng 1: Chế độ xử lý nhiệt các mẫu bê tông
|
Hình 2. Sự thay đổi bề mặt sau khi nung ở các nhiệt độ khác nhau
Hình 3. Thiết lập thử nghiệm để đo vận tốc truyền sóng siêu âm
Hình 4. Sóng tiếp nhận tại đầu dò 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 tông chịu nhiệt độ lên tới 800oC, sự thoái 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, mô đun đàn hồi và vận tốc truyền âm giảm đáng kể. Cơ chế thoái hóa liên quan đến sự bay hơi 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.
(2) Trên 400oC, sự phân hủy các pha trong gel (C-S-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 hòa. 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 thoái do nhiệt ở bê tông, đặc biệt là do mất nước ở 105oC và sự phân hủy của portlandite từ 400 đến 600o 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 toàn vẹn bê tông trong phạm vi này.
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 6. Mối tương quan giữa mô đun đàn hồi tĩnh xác định bằng phương pháp nén cơ học và mô đun đàn hồi động xác định bằng phương pháp sóng siêu âm.
Thông tin chi tiết về nghiên cứu này có thể xem thêm tại:
http://www.jsm.or.jp/ejam/Vol.11No.4/AA/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
Tài liệu tham khảo
[1] Y. Le Pape, “Structural effects of radiation-induced 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.
Lưu Vũ Nhựt – Trung tâm NDE
