Trong các hệ thống thoát nước đô thị, tải trọng tác động lên đường ống không chỉ đến từ áp lực nước hay sức nén của đất mà còn đến từ dao động lặp lại: rung động nền, chấn động giao thông, dao động nhiệt, hoặc chu kỳ đóng – mở dòng chảy. Đây là loạt tác nhân âm thầm gây ra mỏi vật liệu, một hiện tượng khiến nhiều đường ống truyền thống suy giảm tuổi thọ nhanh hơn dự kiến. Trong bối cảnh đó, ống thoát nước HDPE trở thành lựa chọn có hiệu suất bền mỏi vượt trội nhưng thường bị đánh giá thấp vì phần lớn hồ sơ kỹ thuật hiện nay chỉ tập trung vào độ bền kéo hoặc độ cứng vòng.
Mỏi vật liệu – biến số quan trọng nhưng ít được đưa vào tính toán
Mỏi vật liệu (fatigue) xảy ra khi vật liệu chịu ứng suất lặp đi lặp lại, ngay cả khi mức ứng suất thấp hơn nhiều so với ngưỡng phá hủy tĩnh. Các vật liệu giòn như PVC hoặc bê tông chịu nén tốt, nhưng khả năng chống nứt do lặp chu kỳ ứng suất lại hạn chế. Đây cũng là lý do nhiều tuyến thoát nước bên dưới trục giao thông nặng có dấu hiệu nứt sớm mặc dù tải trọng tính theo tiêu chuẩn vẫn nằm trong giới hạn.
Điểm thường bị bỏ qua là: ứng suất dao động không phân bố đều. Các mối nối, điểm gấp khúc, phần chịu tải tập trung là nơi xuất hiện các vi nứt đầu tiên – yếu tố khởi nguồn của phá hủy mỏi.
Cấu trúc phân tử của HDPE và cơ chế hấp thụ tải dao động
Khác với vật liệu giòn, HDPE sở hữu chuỗi polymer dài, mật độ liên kết đồng đều và độ đàn hồi cao. Nhờ cấu trúc này, ống HDPE phân tán ứng suất theo mô hình đàn hồi – nhớt (viscoelastic). Điều này cho phép:
-
Giảm biên độ ứng suất trong mỗi chu kỳ dao động, hạn chế sự tăng trưởng vi nứt.
-
Hấp thụ rung động nền, đặc biệt trong khu vực có mật độ giao thông lớn.
-
Ổn định độ bền lâu dài, nhờ cơ chế phân tán ứng suất về toàn bộ tiết diện thay vì dồn vào một điểm như các vật liệu kém đàn hồi.
Đối với hệ thống thoát nước nằm dưới đường trục, đặc biệt là tuyến có tải trọng động thường xuyên, khả năng này làm tăng đáng kể số chu kỳ chịu tải trước khi xảy ra suy giảm cấu trúc.
Ưu thế của ống thoát nước HDPE trong môi trường tải trọng động
-
Độ bền mỏi cao: Theo nhiều nghiên cứu vật liệu, HDPE duy trì khả năng kháng nứt tốt ngay cả khi chịu hàng chục nghìn chu kỳ tải thấp – điều mà vật liệu cứng khó đạt được.
-
Ổn định kích thước dưới dao động nhiệt: Dao động nhiệt lớn thường gây mỏi tại mối nối – nơi ống HDPE có độ đàn hồi tốt hơn các loại ống cứng.
-
Hạn chế truyền rung cổ điển: Khi nền đất bị rung lặp lại (đặc biệt từ xe tải nặng), ống HDPE ít tạo ra điểm tập trung ứng suất – giảm nguy cơ nứt dọc.
-
Đặc tính biến dạng dẻo kiểm soát nứt: Vi nứt trong HDPE phát triển chậm do khả năng “chảy dẻo vi mô”, ngăn sự lan truyền theo dạng giòn.
Vì sao ngành vẫn chưa đánh giá đúng ưu điểm này?
Phần lớn bản vẽ thiết kế và tài liệu chào thầu chỉ đề cập tới SN, SDR, độ bền kéo, độ bền va đập, trong khi khả năng kháng mỏi – yếu tố quyết định tuổi thọ thực tế trong môi trường tải dao động – lại không được nhấn mạnh. Điều này dẫn đến việc nhà thầu chọn vật liệu dựa trên thông số tĩnh, trong khi hạ tầng hiện đại phải làm việc trong điều kiện tải trọng động ngày càng lớn.
Kết luận
Đối với hệ thống thoát nước chịu dao động lặp lại, ống thoát nước HDPE không chỉ đáp ứng tiêu chuẩn mà còn mang lại độ bền mỏi vượt trội nhờ cơ chế phân tán ứng suất và khả năng đàn hồi đặc thù của polymer. Khi các dự án đô thị mở rộng đặt đường ống ngay dưới các trục giao thông, việc hiểu rõ cơ chế mỏi vật liệu và chọn đúng vật liệu sẽ giúp nhà thầu tăng độ tin cậy công trình và hạn chế sự cố không mong muốn.