Nghiên cứu đánh giá cường độ chịu nén của đất trộn xi măng và xỉ thép

lượng của các chất gia cố, sự biến đổi của cường độ chịu nén của đất gia cố là rất quan trọng trong việc thiết kế, tính toán xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng. Bài báo tập trung phân tích sự biến đổi về cường độ chịu nén của đất yếu khi được gia cố bằng xi măng kết hợp với xỉ thép theo các hàm lượng khác nhau của xi măng, xỉ thép bằng các thí nghiệm trong phòng. ABSTRACT Soft ground reinforcement by soil - cement columns is a common solution, to increase the strength, and to reduce the deformation of the soil to be treated. Therefore, the proper determination of the content of reinforcing substances, the variation of the compressive strength of the reinforced soil are very important in the design and calculation of soft ground reinforcement by soil - cement columns. This paper shows the variation in compressive strength of soft soil reinforced by cement and steel slag according to different concentrations of cement and steel slag in laboratory experiments. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong giải pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất - xi măng, việc nâng cao cường độ và các tính năng khác của trụ đất trộn xi măng là rất cần thiết. Về cơ bản có thể trộn đất với chất kết dính là xi măng, ngoài ra còn có thể sử dụng thêm các chất độn, các hóa chất phụ gia [1], [3], [5], Do vậy, cần thí nghiệm nhằm xác định các loại chất độn thích hợp, các hóa chất phụ gia thêm vào để có thể vừa làm nâng cao và tăng nhanh cường độ của hỗn hợp đất trộn xi măng, đồng thời lại có thể tạo ra khả năng tiêu thoát nước cho nền đất yếu để thúc đẩy nhanh quá trình cố kết cho đất yếu. Trong bài báo này tiến hành nghiên cứu thí nghiệm với chất độn phụ gia là xỉ thép. 2. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA ĐẤT GIA CỐ BẰNG XI MĂNG, XỈ THÉP 2.1. Các vật liệu sử dụng * Đất thí nghiệm Lấy mẫu đất thí nghiệm tại khu Đô Thị Mới Thủ Thiêm – Phường An Lợi Đông, TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 360 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Quận 2 – Thành phố Hồ Chí Minh. Mẫu đất thí nghiệm là mẫu nguyên trạng lấy từ độ sâu 5 m đến 13 m (tính từ mặt đất tự nhiên). Các chỉ tiêu cơ – lý của đất được trình bày trong bảng 1. Bảng 1. Các chỉ tiêu cơ lý của đất thí nghiệm Loại đất W (%) γw(g/cm3) WL (%) Wp ( % ) φ (độ) C (kN/m2) Bùn sét 82,2 1,499 62,6 31,5 4013 11,5 * Xi măng Chất dính kết được sử dụng là xi măng Portland (xi măng Holcim PCB40). * Xỉ thép Xỉ thép sử dụng trong thí nghiệm được lấy từ công ty TNHH Vật Liệu Xanh, đường số 10, Khu công nghiệp Phú Mỹ 1, Huyện Tân Thành, Tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu với các tính chất hóa – lý như sau: + Tính chất hóa học của xỉ thép Các thành phần hóa học chính của xỉ EAF là các Ôxít Canxi CaO, Sắt FexOy, Magiê MgO, Mangan MnO2, Silic SiO2 và Nhôm Al2O3, ở các phức bền vững, trong đó thành phần chính là CaO, SiO2 và FexOy chiếm đến 80% trọng lượng của xỉ lò. Thành phần khoáng chất của xỉ EAF [4] bao gồm: • W: Wustite (FeO); • CS: Calcium Silicates (2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.SiO2, C3S); • B: Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF); • M: Mayenite (12CaO.7Al2O3, C12A7); • P: khe rỗng; • Và thép (phần màu trắng). Một trong những thành phần chính của xỉ thép chủ yếu là khoáng CS, đây là loại khoáng chất chính có trong thành phần của xi măng Portland, hợp chất bao gồm các khoáng Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate (C2S), Tricalcium Aluminate (C3Al). Ngoài ra, thành phần của xỉ thép còn có các khoáng Brownmillerite, Mayenite là một loại khoáng chất có trong đá vôi dùng cho ngành công nghiệp sản xuất xi măng. + Tính chất cơ lý của xỉ thép Xỉ lò điện hồ quang có tính chất cơ học rất tốt do cấu trúc tinh thể đặc biệt, được so sánh với cấu trúc của đá tự nhiên. Tính chất vật lý của xỉ thép (Nguồn: The Utilisation of Recycled Aggregates Generated From Highway Arisings and Steel Slag Fines – The University Birmingham, May 2004) như sau: • Khối lượng riêng: 3,3 - 3,6 tấn/m3; TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 361 • Khối lượng riêng (rời): 1,482 tấn/m3; • Độ pH: 10 - 11; • Độ xốp: 31 - 45%; • Độ dẫn điện: 3,7 mS/cm. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm, xỉ thép có những ưu điểm sau: • Nặng hơn so với hầu hết cốt liệu tự nhiên; • Độ ma sát tốt hơn so với bê tông asphalt; • Độ bền cao; • Chịu đựng tốt trong điều kiện thời tiết xấu; • Thành phần chủ yếu là các khoáng chất tương tự như thành phần của xi măng. Hình 1. Xỉ thép được cân để làm thí nghiệm 2.2. Chuẩn bị mẫu đất trộn xi măng, xỉ thép Mẫu đất được trộn với xi măng theo các tỷ lệ: 200 kg/m3 đất gia cố, 220 kg/m3 đất gia cố, và 240 kg/m3 đất gia cố. Hòa xi măng vào nước theo hàm lượng đã tính toán trước, rồi tưới đều dung dịch này vào trong đất. Cho hỗn hợp vào máy trộn, trộn trong vòng 5 phút để xi măng và nước được phân tán đều vào trong đất. Mẫu đất dùng để thí nghiệm nén một trục nở hông tự do được đúc vào ống nhựa PVC đường kính trong 49mm, chiều cao 98 mm. Chia thành 3 lớp để cho vào trong ống, với mỗi lớp dùng que sắt Φ20 đầm chặt. Tất cả các mẫu sau khi đúc xong được dán nhãn và bảo dưỡng trong phòng ở nhiệt độ 200C, độ ẩm 95% trong 1 ngày đầu, sau đó mẫu đất được cho vào trong thùng ngập nước bảo dưỡng trong những khoảng thời gian 7 ngày, 14 ngày, 28 ngày rồi mang đi thí nghiệm. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 362 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Khi thí nghiệm gia cố đất yếu bằng xi măng và xỉ thép hàm lượng xi măng sử dụng được lấy giá trị tối ưu là 220 kg/m3, hàm lượng xỉ thép sử dụng là 16%, 18%, 20%, 22%, 24%, mỗi hàm lượng chế bị 3 mẫu, tổng cộng có 15 mẫu. Hình 2. Các mẫu đất trộn xi măng sau khi đúc xong Hình 3. Các mẫu đất trộn xi măng và xỉ thép 2.3. Thí nghiệm nén một trục nở hông tự do Thí nghiệm để xác định sức chịu nén qu – là ứng suất nén khi mẫu bị phá hoại. Mẫu đất hình trụ có chiều cao bằng 2 lần đường kính. Khi thí nghiệm theo dõi các số đọc được máy thu nhận vào máy tính đến khi mẫu bị phá hoại hoặc biến dạng đạt đến 15% chiều cao của mẫu, lúc này đồng hồ đo lực dừng lại và giảm dần trị số. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 363 Hình 4. Thí nghiệm nén một trục nở hông trên mẫu đất gia cố 3. CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH [2] 3.1. Đánh giá cường độ của mẫu đất trộn xi măng với các hàm lượng khác nhau a. Mẫu có độ tuổi 7 ngày Bảng 2. Kết quả thí nghiệm mẫu 7 ngày KL xi măng/m3 đất 200 kg 220 kg 240 kg Tỷ lệ nước/xi măng 0,8 0,8 0,8 qu (kPa) 543 727 1013 E50(kpa) 70.830 78.356 94.234 Hình 5. Biểu đồ thí nghiệm nén 1 trục nở hông mẫu 7 ngày TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 364 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Từ kết quả thí nghiệm cho thấy khi hàm lượng xi măng trong đất tăng từ 200 kg lên 220 kg thì cường độ chịu nén qu tăng lên 1,34 lần, mô đun đàn hồi của đất cũng tăng lên 1,1 lần. Khi hàm lượng xi măng tăng từ 220 kg lên 240 kg thì cường độ chịu nén qu tăng lên 1,14 lần, mô đun đàn hồi của đất gia cố tiếp tục tăng lên 1,2 lần. b. Mẫu có độ tuổi 14 ngày Bảng 3. Kết quả thí nghiệm mẫu 14 ngày KL xi măng/m3 đất 200 kg 220 kg 240 kg Tỷ lệ nước/xi măng 0,8 0,8 0,8 qu (kpa) 935 1.251 1.743 Hình 6. Biểu đồ thí nghiệm nén 1 trục nở hông mẫu 14 ngày Từ kết quả thí nghiệm cho thấy khi hàm lượng xi măng trong đất tăng từ 200 kg lên 220 kg thì cường độ chịu nén qu tăng lên 1,31 lần. Khi hàm lượng xi măng tăng từ 220 kg lên 240 kg thì cường độ chịu nén qu tăng lên 1,4 lần. c. Mẫu có độ tuổi 28 ngày Bảng 4. Kết quả thí nghiệm mẫu 28 ngày KL xi măng /m3 đất 200 kg 220 kg 240 kg Tỷ lệ nước / xi măng 0,8 0,8 0,8 qu ( kpa) 1421 1901 2649 Từ kết quả thí nghiệm cho thấy khi hàm lượng xi măng trong đất tăng từ 200 kg lên 220 kg thì cường độ chịu nén qu tăng lên 1,34 lần. Khi hàm lượng xi măng tăng từ 220 kg lên 240 kg thì cường độ chịu nén qu tăng lên 1,39 lần. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 365 Hình 7. Biểu đồ thí nghiệm nén 1 trục nở hông mẫu 28 ngày Nhận xét chung: Khi trộn xi măng vào đất, cường độ chịu nén và sức kháng cắt của đất tăng lên đáng kể so với đất tự nhiên và tăng theo thời gian bảo dưỡng mẫu. - Cường độ của mẫu đất trộn xi măng tăng chậm ở thời điểm từ 7 ngày đến 14 ngày, và tăng nhanh ở thời điểm từ 14 ngày đến 28 ngày, vì khi đó cường độ xi măng trong đất đã đạt cường độ lớn nhất. - Từ kết quả thí nghiệm trong phòng ta chọn được hàm lượng xi măng hợp lý để gia cố đất yếu ở khu đô thị mới Thủ Thiêm quận 2 là 220 kg/m3 đất, với cường độ chịu nén đơn đạt được ở 28 ngày là 1.901 kPa. 3.2. Kết quả thí nghiệm với mẫu đất trộn xi măng và xỉ thép với các hàm lượng khác nhau Các kết quả thí nghiệm nén đơn với các hàm lượng xỉ thép khác nhau được trình bày trong bảng 5. Bảng 5. Kết quả thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng và xỉ thép Hàm lượng xỉ thép 16% 18% 20% 22% 24% Tỷ lệ nước/XM 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 KL xi măng/m3 đất (kG) 220 220 220 220 220 qu (kPa) 2811,6 2487,4 2223,4 2023,8 1668,6 E50 (kPa) 175718,8 155462,5 136146,3 123392,9 101354,5 TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 366 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Hình 8. Biểu đồ thí nghiệm nén 1 trục nở hông mẫu có hàm lượng xỉ 16% Hình 9. Biểu đồ thí nghiệm nén 1 trục nở hông mẫu có hàm lượng xỉ 20% TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 367 Hình 10. Biểu đồ thí nghiệm nén 1 trục nở hông mẫu có hàm lượng xỉ 24% Hình 11. Biểu đồ sự thay đổi cường độ của mẫu theo hàm lượng xỉ thép. - Từ kết quả thí nghiệm cho thấy khi hàm lượng xỉ thép trong đất giảm thì cường độ chịu nén của mẫu đất gia cố xi măng và xỉ thép tăng lên, khi hàm lượng xỉ thép trong đất giảm từ 24% xuống 16% thì cường độ chịu nén qu tăng lên 1,69 lần. 4. KẾT LUẬN Qua các nghiên cứu thí nghiệm nêu trên cho phép rút ra các kết luận, kiến nghị như sau: TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 368 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM - Khi trộn xi măng kèm phụ gia xỉ thép vào đất, cường độ chịu nén và sức kháng cắt của đất tăng lên đáng kể so với đất tự nhiên. - Từ kết quả thí nghiệm trong phòng ta chọn được hàm lượng xi măng hợp lý để gia cố đất yếu ở khu độ thị mới Thủ Thiêm quận 2 là 220 kg/m3, hàm lượng xỉ thép hợp lý là 16% khối lượng đất, khi đó cường độ chịu nén đơn đạt được là 2811,6 kPa. - Từ các kết quả thí nghiệm cũng cho thấy hiệu quả của việc gia cố đất yếu bằng việc kết hợp giữa chất kết dính là xi măng và chất độn là xỉ thép: nếu gia cố đất yếu chỉ bằng xi măng với hàm lượng xi măng là 240 kg/m3 thì mẫu gia cố đạt cường độ qu = 2649,3 kPa, nhưng nếu gia cố đất yếu bằng xi măng có kết hợp với xỉ thép thì chỉ với hàm lượng xi măng là 220 kg/m3 và xỉ thép với hàm lượng 16% ta có thể đạt được cường độ qu= 2811,6 kPa. Như vậy khi gia cố đất yếu với việc giảm hàm lượng xi măng đồng thời kết hợp với sử dụng phụ gia, chất độn sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn và góp phần bảo vệ môi trường với việc xử dụng vật liệu xanh. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bergado, D. T., Anderson, L. R., Miura, N. and Balasubramaniam, A. S. (1996), Soft Ground Improvement in Lowland and Other Environments, ASCE press. [2] Nguyễn Văn Phúc, Nguyễn Tiến Cường (2015), Phân tích ứng xử của cọc xi măng đất khi gia cố đất yếu dưới nền đường ở khu đô thị mới Thủ Thiêm , quận 2, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học. [3] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 9403 : 2012 (2012), Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng. [4] S. Jaritngam and S. Swasdi (2006), Improvement for soft soil by soil-cement mixing in Soft Soil Engineering, Proceedings of the Fourth International Conference on Soft Soil Engineering, Vancouver, Canada, 4 – 6 October 2006, pp. 637-640. [5] K.Omine & H.Ochiai (1999), Homogenization method for numerical analysis of improved ground with cement treated soil columns. Phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ