ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 1
KHẢ NĂNG SỬ DỤNG BÙN CÁT BIỂN LÀM
VẬT LIỆU ĐẮP NỀN ĐƯỜNG
NGUYỄN CHÂU LÂN*, NGUYỄN VIẾT THANH**,
ĐẶNG HỒNG LAM***, PHÍ HỒNG THỊNH****,
NGUYỄN ĐỨC HIẾU*****, NGUYỄN HẢI HÀ******,
ĐỖ TUẤN NGHĨA*******
On the utilization of dredged marine sediments for construction materials.
Abstract: Dredging sediments is necessary to maintain navigation in
waterways and access to harbours. However, the management of dredged
sediments is a worldwide issue. Dumping the
8 trang |
Chia sẻ: huongnhu95 | Lượt xem: 477 | Lượt tải: 0
Tóm tắt tài liệu Khả năng sử dụng bùn cát biển làm vật liệu đắp nền đường, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
sediments at sea is
concerned due to its effects on the marine environment. This paper
focuses on the utilization of dredged marine sediments for construction
material. The dredged marine sediments taken from Hai Phong and Quang
Ninh area were modified by adding quicklime, Portland cement, and fly
ash. Geotechnical test of the modified dredged marine sediments was
conducted for sample after mixing of 7 days and 28 days. Unconfined
compression result showed that the strength of the material is higher due
to the increment of cement/lime content. In addition, SEM and XRD were
also conducted to obtain microstructure and chemical composition of
material after mixing with additive.
Keywords: marine sediments, lime, cement, XRD, SEM
1. GIỚI THIỆU CHUNG *
Hiện nay, việc nạo vét bùn để đảm bảo luồng
hải hải ngày càng trở lên quan trọng. Tuy nhiên
trong nhiều trƣờng hợp việc nhấn chìm bùn nạo
vét ngoài biển có thể nảy sinh vấn đề ảnh hƣởng
đến môi trƣờng biển. Để giải quyết những vấn
* Khoa Công trình - Đại học Giao thông Vận tải
03 Cầu Giấy-Láng Thượng-Đống Đa-Hà Nội
Email: nguyenchaulan@utc.edu.vn
** Khoa Công trình - Đại học Giao thông Vận tải
Email: vietthanh@utc.edu.vn
*** Khoa Công trình - Đại học Giao thông Vận tải
Email: dang.hong.lam@utc.edu.vn
**** Khoa Công trình - Đại học Giao thông Vận tải
Email: nguyenchaulan@utc.edu.vn
***** Khoa Đào tạo Quốc tế - Đại học Giao thông Vận tải
Email: Hieuduc3107@gmail.com
****** Khoa công trình- Đại học Giao thông Vận tải
Email: Hieuduc3107@gmail.com
****** Khoa Công trình - Đại học Thủy Lợi
Email: dotuannghia@tlu.edu.vn
đề này, đất nạo vét sau khi đƣợc xử lý bằng xi
măng sẽ đƣợc sử dụng làm vật liệu xây dựng
trong các dự án đòi hỏi cƣờng độ thiết kế thấp,
dao động từ 100 kPa đến 500 kPa. Đất sét đƣợc
xử lý bằng xi măng đƣợc sử dụng làm vật liệu
xây dựng, trong việc lấp đầy các đê quai, và
trong các kè ngập nƣớc, gần đây còn đƣợc
nghiên cứu làm vật liệu đắp đƣờng.
Các tính chất vật lý cơ bản của bùn nạo vét
đƣợc xử lý xi măng đã đƣợc nhiều tác giả
nghiên cứu [3], [4]. Các nghiên cứu chỉ ra rằng
việc huy động cƣờng độ của đất sét trộn với xi
măng chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố, chẳng
hạn nhƣ loại chất kết dính và khối lƣợng chất
kết dính [2] , các phƣơng pháp trộn phụ gia [5],
các điều kiện bảo dƣỡng [6], [7], và các đặc tính
về bản chất của đất [8].
Các phƣơng trình thực nghiệm dựa trên các
chỉ số khác nhau đã đƣợc đề xuất để dự đoán sự
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 11
phát triển cƣờng độ của đất trộn xi măng. Các
chỉ số của các phƣơng trình này bao gồm tỷ lệ
khối lƣợng xi măng đối với đất khô ([9], [4]),
khối lƣợng xi măng trên một thể tích đất ƣớt 1
m
3
[2], tỷ lệ nƣớc-xi măng [4], [10], hệ số
rỗng [11], tổng tỷ lệ nƣớc-xi măng [3], [4], tỷ
lệ ứng suất [12], [13], gia tăng khối lƣợng
nƣớc bị ràng buộc trên một đơn vị thể tích (kg
/m
3) hoặc tăng khối lƣợng nƣớc hydrat trên
một đơn vị thể tích (kg/m3), độ xốp chia cho
hàm lƣợng xi măng thể tích [14], [15], và số
hoạt động của đất sét.
Tuy nhiên ở Việt nam có rất ít nghiên cứu
đƣa ra giải pháp cải thiện tính năng của vật liệu
nạo vét. Do vậy bài báo này trình bày kết quả
thí nghiệm bƣớc đầu về cải thiện vật liệu nạo
vét làm vật liệu xây dựng nhƣ đất đắp nền
đƣờng hoặc vật liệu san lấp.
2. VẬT LIỆU- PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu
Mẫu nạo vét bùn đƣợc lấy từ khu vực Hải
Phòng và Quảng Ninh. Mẫu đƣợc đựng trong
thùng nhựa, bọc kín để tránh thay đổi độ ẩm sau
đó vận chuyển đến phòng thí nghiệm Trƣờng
Đại học Giao thông vận tải để tiến hành.
Sau đó các mẫu bùn sẽ đƣợc thí nghiệm các
chỉ tiêu cơ lý cơ bản và cấu trúc vi mô.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
a. Phƣơng pháp chế tạo mẫu
- Cân khối lƣợng bùn nạo vét, chất kết dính
(xi măng, vôi). Dùng máy trộn trộn đều bùn nạo
vét và xi măng, vôi và xi măng kết hợp với tro
bay trong khoảng 5 phút với tốc độ để đảm bảo
đồng nhất. Sử dụng máy trộn tự động với công
suất 5L, tốc độ quay là 120 vòng/phút.
Mẫu trộn xi măng: hàm lƣợng xi măng:
50,75,100,150 kg/m
3
Mẫu trộn vôi: hàm lƣợng vôi 100, 150, 200
và 250 kg/m
3
Mẫu trộn xi măng và tro bay:
50,75,100kg/m
3
- Đúc mẫu
Sau đó tiến hành đúc mẫu, mỗi tổ mẫu có 3
viên mẫu. Mẫu đƣợc cho vào khuôn nhựa có
kích thƣớc 50 mm ×100 mm. Cho hỗn hợp đã
đƣợc trộn đều vào từng khuôn đã đƣợc đậy nắp
một đầu. Hỗn hợp trộn cho vào trong khuôn
theo nhiều lớp. Mỗi lớp đƣợc lèn chặt để không
có lỗ rỗng trong mẫu đất. Bịt kín đầu còn lại của
khuôn bằng bao nylon. Ghi số hiệu mẫu trên
nhãn mẫu và dán nhãn lên mẫu. Số lƣợng mẫu
đƣợc cho ở Bảng 1.
Bảng 1: Số lƣợng mẫu thí nghiệm
Thứ tự
tổ mẫu
Tỉ lệ trộn (kg/m3)
Số lƣợng
mẫu
1 Vôi 100 6
2 Vôi 150 6
3 Vôi 200 6
4 Vôi 150 4
5 Vôi 200 4
6 Vôi 250 4
7 Xi măng 50 6
8 Xi măng 75 6
9 Xi măng 100 6
10 Xi măng 100 4
11 Xi măng 150 4
12
Xi măng+
tro bay
100;
150
3
b. Phƣơng pháp thí nghiệm
Trong bài báo này các chỉ tiêu cơ lý của bùn
nạo vét trƣớc và sau khi trộn với xi măng, vôi,
tro bay đƣợc thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM và
đƣợc liệt kê nhƣ ở Bảng 2.
Ngoài ra, nghiên cứu này còn thực hiện phân
tích thành phần hóa học cho mẫu đất trƣớc và
sau khi trộn thông qua thí nghiệm nhiễu xạ tia X
(XRD - X-ray Diffraction) và thực hiện quan sát
cấu trúc vi mô của mẫu đất thông qua thí
nghiệm SEM (SEM – Scanning Electronic
Microscopy/kính hiển vi điện tử quét).
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 12
Bảng 2: Các tiêu chuẩn thí nghiệm
theo ASTM
Tên thí nghiệm
Tiêu chuẩn
áp dụng
Độ ẩm ASTM D 2216
Trọng lƣợng thể tích ASTM D 2937-00
Phân tích thành phần hạt Máy phân tích
của hãng Horiba
(Nhật bản)
Chỉ tiêu Atterberg ASTM D 4318
Thí nghiệm nén nở hông ASTM D 2166-91
3. KẾT QUẢ - THẢO LUẬN
3.1. Kết quả thí nghiệm cơ lý
Hình 1. Đường cong phân bố cỡ hạt mẫu bùn
Quảng Ninh
Hình 2. Đường cong phân bố cỡ hạt mẫu bùn
Hải Phòng.
Kết quả phân tích thành phần hạt của mẫu
bùn đƣợc chỉ ra ở Hình 1 và Hình 2. Các thông
số cơ bản nhƣ độ ẩm, giới hạn chảy, giới hạn
dẻo đƣợc cho ở Bảng 3 bên dƣới:
Bảng 3: Kết quả thí nghiệm chỉ tiêu vật lý
TT
Đ ộ
ẩm
W (%)
Giới
hạn
dẻo
WP
(%)
Giới
hạn
chảy
WL (%)
Tỷ
trọng
Khố i
lƣợng
thể
tích tự
nhiên
g/cm3
1 (Quảng
Ninh)
75 25,6
7
41,6 2,56 1,33
2 (Hải
Phòng)
39,7 28,0
2
17,14 2,6 1,4
3.2. Kết quả thí nghiệm nén nở hông
Hình 3. Thí nghiệm nén nở hông
Bảng 4. Kết quả thí nghiệm nén nở ngang
Số
hiệu
mẫu
Thàn
h
phần
Khố i
lƣợng
(kg/m3)
qu
(kPa), 7
ngày
qu (kPa),
28 ngày
1 Xi
măn
g
50
12,17 17,17
2 18,35 18,35
3
75
150,2 160,48
4 148,02 168,04
5
100
160,3 321,25
6 180,4 259,10
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 13
Số
hiệu
mẫu
Thàn
h
phần
Khố i
lƣợng
(kg/m3)
qu
(kPa), 7
ngày
qu (kPa),
28 ngày
7 Vôi
100
4,5 5,8
8 4,2 5,90
9 4,3 5,87
10 4,0 5,8
11
150
5,0 6,0
12 5,1 6,1
13 5,2 6,2
14
200
10,21 12,21
15 10,3 12,3
16 10,40 13,2
19
Xi
măn
g+tr
o bay
(30%
tro
bay) 100 47 200
3.3. Kết quả thí nghiệm XRD
Thí nghiệm nhiễu xạ tia X đƣợc thực hiện
trên mẫu đất bùn trộn 50 kg/m3; 75 kg/m3 và
100 kg/m
3 xi măng có kết quả nhƣ trong hình 7.
Các phổ nhiễu xạ cho thấy các pha tinh thể chủ
yếu tồn tại trong các mẫu bùn trộn xi măng gồm
có: SiO2 và CaO. Hàm lƣợng xi măng càng cao
thì đỉnh của SiO2 càng lớn.
Hình 4a. Mẫu bùn+xi măng (50 kg/m3)
Hình 4b. Mẫu bùn+xi măng (75 kg/m3)
Hình 4c. Mẫu bùn+xi măng (100 kg/m3)
Hình 4. Kết quả phân tích các mẫu bằng XRD
3.4. Kết quả thí nghiệm SEM/EDX
Sau đó, nghiên cứu sử dụng kính hiển vi
điện tử quét (SEM) để khảo sát hình thái và
cấu trúc hạt của mẫu bùn sau khi trộn với hàm
lƣợng xi măng khác nhau Ảnh SEM ở hình 5
với độ phóng đại 20 000 lần. Hình ảnh quan
sát đƣợc trên mẫu bùn trộn với xi măng cũng
tƣơng đồng với kết quả đƣợc công bố với
nhóm tác giả [3], [4].
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 14
Hình 5a. Mẫu bùn+50 kg/m3 xi măng
Hình 5b. Mẫu bùn+75 kg/m3 xi măng
Hình 5c. Mẫu bùn+100 kg/m3 xi măng
Hình 5: Kết quả phân tích các mẫu bằng SEM
3.5. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn FEM
tính toán nền đƣờng sử dụng bùn gia cố
Nghiên cứu này đề xuất sử dụng lớp bùn gia
cố xi măng làm vật liệu đắp.
1
2
3
ro
Líp bª t«ng asphalt
Líp base
Líp bïn gia cè xi
m¨ng
Hình 6. Mô hình kết cấu mặt đường
Kết cấu mặt đƣờng là một kết cấu nhiều lớp.
Phần mềm Plaxis là phần mềm phần tử hữu hạn
(FEM) đƣợc dùng để tính toán cho nền đất là
bùn nạo vét gia cố xi măng. Kết cấu nền-mặt
đƣờng đƣợc mô tả nhƣ ở hình vẽ dƣới. Sử dụng
mô hình biến dạng trục 2D trong phần mềm
Plaxis để tính toán. Mô hình mặt đƣờng đƣợc
giả thiết có lớp bê tông asphalt dày 7 cm, lớp
base dày 40 cm, và lớp đất dày 250 cm. Mô
hình vật liệu đƣợc cho nhƣ ở bảng dƣới. Khi
thiết kế mặt đƣờng, tải trọng đƣợc giả thiết là
phân bố đều. Tải trọng trục là 100 kN và áp lực
tiếp xúc là 0.7 MPa với diện tích tiếp xúc lốp
và mặt đƣờng là 0.134 m2 với bán kính là r0 là
0.152 m.
Bảng 5. Tham số đầu vào cho phần tử hữu hạn
Vật liệu
Asphal
t
Lớp
base
Đ ất
(bùn+xi
măng)
Mô hình vật
liệu
Elastic Elastic Mohr-
Coulomb
Chiều dày
(m)
0,07 0,4 2,5
Trọng lƣợng 19,6 23,5 17,4
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 15
thể tích
(kN/m3)
Mô đun đàn
hồ i (MPa)
1400 500 30
Lực dính
đơn vị (kPa)
- - 24
Góc ma sát
trong
- - 30
Hệ số
Poisson
0,35 0,25 0,45
Ảnh hƣởng của mô đun đàn hồi
Xét ảnh hƣởng của mô đun đàn hồi của
lớp bùn trộn xi măng đối với chuyển vị của
nền đƣờng
Hình 7. Kết quả tính toán chuyển vị ứng với mô
đun đàn hồi Eđất=30 Mpa
Hình 8. Kết quả tính toán chuyển vị ứng với
mô đun đàn hồi Eđất=10 Mpa
Hình 9. Kết quả tính toán chuyển vị ứng với
mô đun đàn hồi Eđất=5 Mpa
Hình 10. Kết quả tính toán chuyển vị ứng
với mô đun đàn hồi Eđất=1 Mpa
Bảng 6. Kết quả tính toán mô hình Plaxis 2D
TT
Mô đun đàn hồi
(MPa)
Chuyển vị (mm)
1 1 19,12
2 5 7,83
3 10 5,28
4 30 2,77
Từ kết quả trên cho thấy mô đun đàn hồi của
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 16
nền đƣờng ảnh hƣởng đến chuyển vị của mặt
đƣờng, trƣờng hợp mô đun đàn hồi tăng lên thì
chuyển vị giảm đi. Trƣờng hợp mô đun nền
đƣờng bằng 1 MPa thì chuyển vị khá lớn 19.12
mm, ngƣợc lại khi mô đun đàn hồi của đất bằng
30 MPa thì chuyển vị nhỏ (2.77mm). Nhƣ vậy
trong quá trình thi công cần đảm bảo mô đun
đàn hồi nền đất bên dƣới lớn.
3.6. Thảo luận
• Kết quả tính toán cho thấy khi trộn với vôi,
cƣờng độ của bùn sau khi trộn có tăng lên
nhƣng không nhiều, chƣa đủ để làm vật liệu.
• Đối với mẫu bùn trộn xi măng thì hàm
lƣợng cho giá trị cƣờng độ nén nở hông sau 28
ngày thì qu=260-321 kPa, có thể sử dụng làm
vật liệu đắp (>75 kPa), kết quả thí nghiệm có sự
thống nhất với các nghiên cứu trên thế giới [1],
[16]–[20].
Từ kết quả trên cho thấy mô đun đàn hồi
của nền đƣờng ảnh hƣởng đến chuyển vị của
mặt đƣờng, trƣờng hợp mô đun đàn hồi tăng lên
thì chuyển vị giảm đi.
3.7. Áp dụng hiện trƣờng
- Có thể áp dụng phƣơng pháp đơn giản
thi công nhƣ sau:
Hình 10. Sơ đồ gia cố ngoài hiện trường
Hình 10 trình tự thi công và kiểm tra chất
lƣợng theo của bùn cát biển cải tạo bằng cách
trộn với xi măng và phụ gia. Theo tiêu chí
cƣờng độ bùn trộn xi măng phải lớn hơn 75kPa
sau 28 ngày.
Một số công nghệ trên thế giới áp dụng
phƣơng pháp gia cƣờng bùn nhƣ của Trung
Quốc, Nhật Bản. Các công nghệ này thì có thể
dùng máy trộn có năng lực trộn khoảng 120-
150 m
3/h. Máy trộn có công xuất 30kW. Đầu
vào có 3 ống, 1 ống cho Bùn, 1 ống cho xi
măng và ống còn lại cho phụ gia. Việc thi công
và kiểm tra chất lƣợng có thể dùng phƣơng
pháp xuyên, CBR
4. KẾT LUẬN
Từ kết quả thí nghiệm và mô phỏng FEM, có
thể rút ra các kết luận sau đây:
Đối với khu vực trên có thể kiến nghị sử
dụng hàm lƣợng xi măng 100 kg/m3 để gia cố
hoặc có thể dùng xi măng trộn với tro bay
Phƣơng pháp FEM cho thấy mô đun đàn
hồi của vật liệu bùn trộn xi măng có ảnh hƣởng
nhiều đến chuyển vị của mặt đƣờng
Bƣớc đầu nghiên cứu cho thấy có thể sử
dụng vật liệu bùn cát biển làm vật liệu đắp
đƣờng. Các nghiên cứu sâu hơn cần đƣợc tiến
hành để có thể áp dụng vào thực tiễn
LỜI CẢM ƠN
Bài báo đƣợc hoàn thành từ nguồn tài trợ đề
tài cấp Bộ mã số DT194074, 2019. Tác giả xin
trân trọng cảm ơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] G. Kang, T. Tsuchida, and A. M. R. G.
Athapaththu, ―Strength mobilization of cement-
treated dredged clay during the early stages of
curing,‖ Soils Found., vol. 55, no. 2, pp. 375–
392, 2015.
[2] S. Seng And H. Tanaka, ―Properties Of
Cement-Treated Soils During Initial Curing
Stages,‖ Soils Found., Vol. 51, no. 5, pp. 775–
784, 2011.
[3] S. Horpibulsuk, N. Miura, and T. S.
Nagaraj, ―Assessment of strength development
in cement-admixed high water content clays
with Abrams‘ law as a basis,‖ Géotechnique,
vol. 53, no. 4, pp. 439–444, 2003.
[4] N. Miura, S. Horpibulsuk, And T. S.
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 17
Nagaraj, ―Engineering Behavior Of Cement
Stabilized Clay At High Water Content,‖ Soils
Found., vol. 41, no. 5, pp. 33–45, 2001.
[5] S. Larsson, M. Rothhämel, and G. Jacks,
―A laboratory study on strength loss in kaolin
surrounding lime-cement columns,‖ Appl. Clay
Sci., vol. 44, no. 1–2, pp. 116–126, 2009.
[6] N. C. Consoli, G. V Rotta, and P. D. M.
Prietto, ―Influence of curing under stress on the
triaxial response of cemented soils,‖
Géotechnique, vol. 50, no. 1, pp. 99–105, 2000.
[7] M. Suzuki, T. Fujimoto, and T. Taguchi,
―Peak and residual strength characteristics of
cement-treated soil cured under different
consolidation conditions,‖ Soils Found., vol. 54,
no. 4, pp. 687–698, 2014.
[8] M. Kamon, T. Katsumi, T. Inui, Y.
Ogawa, and S. Araki, ―Hydraulic Performance
of Soil-Bentonite Mixture Barrier,‖ in 5th ICEG
Environmental Geotechnics: Opportunities,
Challenges and Responsibilities for
Environmental Geotechnics, pp. 733–740.
[9] H. Güllü, ―On the viscous behavior of
cement mixtures with clay, sand, lime and
bottom ash for jet grouting,‖ Constr. Build.
Mater., vol. 93, pp. 891–910, 2015.
[10] G. Suzuki et al., ―Comprehensive
evaluation of dioxins and dioxin-like
compounds in surface soils and river sediments
from e-waste-processing sites in a village in
northern Vietnam: Heading towards the
environmentally sound management of e-
waste,‖ Emerg. Contam., vol. 2, no. 2, pp. 98–
108, 2016.
[11] L. G. A. and B. D. T., ―Fundamental
Parameters of Cement-Admixed Clay—New
Approach,‖ J. Geotech. Geoenvironmental Eng.,
vol. 130, no. 10, pp. 1042–1050, Oct. 2004.
[12] K. Kasama, K. Zen, And K. Iwataki,
―Undrained Shear Strength Of Cement-Treated
Soils,‖ Soils Found., vol. 46, no. 2, pp. 221–
232, 2006.
[13] K. Kasama, K. Zen, And K. Iwataki,
―High-Strengthening Of Cement-Treated Clay
By Mechanical Dehydration,‖ SOILS Found.,
vol. 47, no. 2, pp. 171–184, 2007.
[14] E. Mengue, H. Mroueh, L. Lancelot, and
R. Medjo Eko, ―Physicochemical and
consolidation properties of compacted lateritic
soil treated with cement,‖ Soils Found., vol. 57,
no. 1, pp. 60–79, 2017.
[15] C. N. Cesar, C. R. Caberlon, F. M.
Felipe, and F. Lucas, ―Parameters Controlling
Tensile and Compressive Strength of
Artificially Cemented Sand,‖ J. Geotech.
Geoenvironmental Eng., vol. 136, no. 5, pp.
759–763, May 2010.
[16] Y. Huang, C. Dong, C. Zhang, and K.
Xu, A dredged material solidification treatment
for fill soils in East China: A case history, vol.
35, no. 6. 2017.
[17] Y. Huang, W. Zhu, X. Qian, N. Zhang,
and X. Zhou, ―Change of mechanical behavior
between solidified and remolded solidified
dredged materials,‖ Eng. Geol., vol. 119, no. 3–
4, pp. 112–119, 2011.
[18] V. Dubois, N. E. Abriak, R. Zentar, and
G. Ballivy, ―The use of marine sediments as a
pavement base material,‖ Waste Manag., vol.
29, no. 2, pp. 774–782, 2009.
[19] I. Develioglu and H. F. Pulat,
―Compressibility behaviour of natural and
stabilized dredged soils in different organic
matter contents,‖ Constr. Build. Mater., vol.
228, p. 116787, 2019.
[20] K. Siham, B. Fabrice, A. N. Edine, and
D. Patrick, ―Marine dredged sediments as new
materials resource for road construction,‖ Waste
Manag., vol. 28, no. 5, pp. 919–928, 2008.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- kha_nang_su_dung_bun_cat_bien_lam_vat_lieu_dap_nen_duong.pdf