Khả năng sử dụng bùn cát biển làm vật liệu đắp nền đường

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.