1. Giới thiệu:
Khi trùng tu các di tích bằng gỗ đình, chùa, cung điện… theo nguyên tắc bảo tồn, cần giữ lại các phần công trình, các cấu kiện, các phần chi tiết đã hư hỏng một phần, nhằm đảm bảo tính nguyên gốc. Do đó thường xuyên gặp các trường hợp nối, vá giữa các phần cũ với phần mới; bồi đắp gia cường các vị trí đã bị mục, mọt để trả lại cấu kiện hình dáng ban đầu. Trong mấy năm gần đây, người ta thường dùng các loại keo, hỗn hợp keo với bột gỗ hỗn hợp này chính là một dạng composite để làm việc đó.
Trong khi trùng tu các công trình như Hiển Lâm Các, Cung Diên Thọ, và các cung điện khác ở Huế; keo và composite đã được dùng để gắn chắp các phần cũ với phần thay thế phục chế của cấu kiện gỗ; đắp vá các phần gỗ hư hỏng các chỗ sứt vỡ hay bị mối xâm thực, các phầm mục do tiêu tâm…; tăng cường khả năng chống thấm ẩm cho bề mặt gỗ nhất là các lỗ mộng, chỗ tiếp xúc với vữa, đất… đã thu được két qủa mỹ mãn.
Dưới đây chúng tôi xin giới thiệu về cách chế tạo và sử dụng composite để gia cường kết cấu gỗ trong trùng tu các di tích.
2. Cách chế tạo Composite:
2.1. Lựa chọn keo:
Trong công nghiệp đồ gỗ, người ta thường sử dụng các loại keo trên cơ sở nhựa aminoandehyd, nhựa nhiệt mềm và cao su, cao su tự nhiên và tổng hợp, nhựa phenolformal-dehyd, epoxy và polyurethane.
Thời gian gần đây keo epoxy được sử dụng rất nhiều trong xây dựng, đặc biệt đã được biến tính để phù hợp với mục đích và nhu cầu sử dụng. Ví dụ: Có loại epoxy sau khi đóng rắn có tính dẻo môđun đàn hồi thấp, có loại có độ nhớt nhỏ gần như nước, dùng cho việc bơm lấp khe nứt, có loại có thể bám dính trên nền vật liệu ẩm…
Xét khả năng phù hợp với việc gia công thủ công thì epoxy có nhiều ưu điểm: Ít độc, có thể điều chỉnh thời gian đóng rắn, không cần gia công nhiệt, có độ dính cao, có hệ số nở nhiệt gần với gỗ ngang thớ, chịu nước… Song keo co những nhược điểm như:
- Keo có độ bền tốt khi ở dạng màng mỏng. Khi màng dày hoặc khối lớn, do bị co khi đóng rắn nên tích tụ ứng suất bên trong, dẫn đén hiện tượng nứt vỡ tăng tính dòn. Vì vậy không thể dùng keo nguyên chất để nhồi lõi cột tiêu tâm hay đắp vá với thể tích lớn.
- Để đảm bảo độ dính tốt, cần xử lý mặt gỗ thật khô thông thường mặt gỗ dán ở độ sâu vài cm, đổ ẩm gỗ xấp xỉ 10 - 13%.
- Vật liệu gỗ có nhiều tính năng khác hẳn keo epoxy thông thường như: Cường độ và môđun đàn hồi thấp hơn, hệ số nở nhiệt dọc thớ thấp hơn, dễ bị hút ẩm và hệ số nở do hút ẩm lớn…
Để dung hoà các tính chất của hai vật liệu khác nhau, cần tạo nên một loại composite có ưu điểm so với các vật liệu gốc. Việc trộn bột gỗ khô với keo có rất nhiều tác dụng, đặc biệt là làm giảm đáng kể bề dày thực tế của màng keo bọc hạt gỗ, tăng được sức bền va đập do giảm môđun đàn hồi; composite có tính chất cơ lý gần với gỗ hơn và dễ gia công hơn.
2.2. Lựa chọn thành phần:
2.2.1. Chọn hàm lượng keo:
Sử dụng keo: ED20 với chất đóng rắn Polyethylene-polyamin.
Thay đổi tỷ lệ keo từ 61-68% tỷ lệ hoá rắn không đổi và bằng 12.5% keo thu được kết qủa như sau:
- Càng tăng lượng keo thì khả năng dễ trộn, dễ thi công càng lớn.
- Cường độ xem hình 1 tăng theo hàm lượng keo, tuy nhiên có thể dự đoán là tới một giá trị nào đó trên 80% có thể sẽ suy giảm cường độ do tích tụ ứng suất keo ở tuổi muộn.
Cường độ composite tăng lên sau 2 tháng tiếp theo có thể do phản ứng hoá rắn xảy ra hoàn toàn hơn. Như vậy tỷ lệ keo trong composite có thể dưa tới 70% hoặc cao hơn, tuỳ theo vị trí sử dụng, khi tỷ lệ dưới 65% thì độ quánh của hỗn hợp quá lớn, khó trộ hay khó dàn bằng tay. Do đó, khi thi công khối lớn dễ xảy ra khuyết tật, kém đặc chắc.
Sau khi kiểm tra cường độ nén của 4 loại gỗ sử dụng cho công trình Lim, sến, kiền, chò trên mẫu 2x2x3cm nén dọc thớ và 4x4x16cm uốn ngang thớ và composite, nhận thấy:
- Composite có cường độ nén cao tương đương với gỗ.
- Composite có cường độ uốn thấp hơn gỗ khi uốn ngang thớ nhưng cũng đạt trên 170 KG/cm2, với lượng keo trên 70% thì có thể đạt trên 200 KG/cm2 .
2.2.2. Cải thiện tính chất công nghệ của Composite:
Mục đích là làm tăng khả năng dễ thi công nhồi, trộn, gia công cưa, đục, đóng đinh, bào… chống nứt giòn của sản phẩm. Các mẫu thí nghiệm được ký hiệu như sau:
M1: Mẫu chuẩn có tỷ lệ gốc là keo 61.2%, bột gỗ 38.8%, tỷ lệ hoá rắn bằng 12.5% keo.
M2-1: Mẫu có thêm tỷ lệ hoá dẻo 1% keo
M2-2: Mẫu có thêm tỷ lệ hoá dẻo 2% keo
M3: Mẫu có tỷ lệ hoá rắn thấp: 10% keo.
M4: Mẫu pha sợi amiăng thay 10% phần bột gỗ.
Kết qủa cho ở bảng 1:
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.3840.505' /> |
| |
Ghi chú: Ở tuổi muộn hơn 3 tháng, mẫu M3 có cường độ uốn vượt mẫu chuẩn M1.
Thí nghiệm lặp lại với tỷ lệ amiăng thay cho 20% bột gỗ trình bày ở bảng 2. Để chống nứt cho vật liệu Composite cần đưa tăng hàm lượng hoá dẻo và sợi amiăng.
Như vật giải pháp đề xuất không ảnh hưởng xấu tới đặc tính cơ lý của composite.
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.3840.506' /> |
| |
Ghi chú: Cấp phối keo 61.1%, bột gỗ + amiăng 38.9%, hoá rắn 12.5%.
2.3. Kiểm tra tính chất của Composite:
2.3.1. Ảnh hưởng của nước tới tính chất cơ lý:
Các mẫu cỡ 4x4x8 cm được sấy tới 40 độ C tới khối lượng không đổi, sau đó ngâm vào nước 7 ngày, khi vớt ra không thấy biến đổi hình dạng, kết qủa tính khối lượng thể tích cho thấy nước hầu như không ngấm đước vào khối composite khối lượng tăng chưa tới 1%.
Kiểm tra hệ số hoá mềm qua cường độ chịu nén với mẫu có tỷ lệ keo 61.2% thấy gía trị đạt cao trên 0.95.
Các kết qủa thí nghiệm so sánh với gỗ chò trong bảng 3:
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.3840.507' /> |
| |
Ghi chú: RN Khô KG/cm2 : Cường độ nén ở trạng thái khô,
RN B. hoà KG/cm2: Cường độ nén ở trạng thái bảo hoà.
K hoá mềm: Hệ số hoá mềm.
w Bảo hoà %: Độ hút nước của vật liệu tới bảo hoà.
N1, N2, N3: Ký hiệu mẫu ở bảng 2.
Nhận xét: Composite có khả năng chịu nước tốt trong khi hệ số hoá mềm của gỗ chò là 0.86; gỗ Kiền là 0.67, gỗ Lim: 0.85, gỗ Sến: 0.82
2.3.2. Ảnh hưởng của việc quét keo lót tới liên kết gỗ - Composite:
Composite khi trộn ít keo rất dễ bị xốp và bám không kín mặt gỗ. Vì vậy cần kiểm tra ảnh hưởng của lượng keo và biện pháp quét lót Phủ trước một lớp keo lên mặt gỗ đối với liên kết gỗ - Composite
2.3.2.1. Thử liên kết khi uốn:
Để thử uốn, chuẩn bị hai nửa mẫu gỗ 4x4x8cm được gắn đối đầu bằng lớp composite dày 2mm chọn hai nhóm mẫu có hai hàm lượng keo khác nhau: 60% và 70%, trong mỗi nhóm có hai nhóm mẫu. Mẫu nhóm 1 mặt liên kết được quét lót lớp keo mỏng, nhóm mẫu còn lại không quét lót.
Hình vẽ H.3: Sơ đồ thí nghiệm liên kết thử uốn trang 32:
2.3.2.2. Thử liên kết chống trượt:
Để thử trượt hai mảnh gỗ được gắn bằng composite, cách chia nhóm giống như phần nêu trên. Khi thử, 2 mảnh hai bên là gối đỡ, mảnh ở giữa chịu tải trực tiếp. Kết quả thử trong bảng 4:
| ' border=0 src='/image/images?img_id=com.vportal.portlet.vcms.model.VcmsArticle.3840.508' /> |
| |
Thí nghiệm trượt với mẫu gỗ liền khối, cùng hình dáng cho kết qủa cường độ chịu kéo đạt 156 KG/cm2 đối với gỗ Lim, 56.2 KG/cm2 đối với gỗ kiền.
2.3.2.3. Nhận xét:
Lượng keo nhỏ làm cấu trúc composite xốp, diện tích dính mặt gỗ chỉ đạt 50%. Đối với tỷ lệ này, để tăng sức bám dính phải quét trước vào mặt gỗ một lớp keo mỏng.
Khi lượng keo 70% trở lên, đảm bảo độ dính bám cao mà không cần quét lót diện tích bám mặt đạt tới 90%, có thể đạt bằng cường độ gỗ kiền.
Khi dùng composite với tỷ lệ 60% và ít hơn, cần có áp lực nhồi nén lớn mới đảm bảo khả năng bám dính.
2.4. Kết luận:
+ Các thí nghiệm đã làm sáng tỏ một số đặc tính quan trọng của loại composite - epoxy - bột gỗ; khả năng gia công thủ công cưa, đục, đóng đinh, bào … tốt, chứng tỏ vật liệu mới đã cải thiện được nhược điểm là tích tụ ứng suất trong keo khi ở dạng khối lớn. Các tính chất cơ học của vật liệu này cũng gần giống với gỗ hơn keo. Từ các thí nghiệm, phương án sử dụng vật liệu composite dể tu bổ di tích đã được ứng dụng.
+ Composite có thể thay thế gỗ hoàn toàn trong trường hợp chịu nén, đối với các cấu kiện gỗ chịu uốn, trượt, cắt cần có thêm giải pháp gia cường kết cấu.
+ Composite vượt trội hơn so với gỗ về mặt chống tác động phá hoại của hơi ẩm và nước - là tác nhân phá hoại kết cấu gỗ mạnh nhất trong điều kiện nóng ẩm.
+ Trên cơ sở thí nghiệm và kinh nghiệm tu bổ các di tích, đã đưa ra các giải pháp tu bổ hữu hiệu; xây dựng công nghệ thi công Composite với thiết bị và dụng cụ đi kèm.
Nguồn tin: T/C Khoa học công nghệ, số 9/2005