Tổng quan về công nghệ đất trộn xi măng: Cơ chế hình thành và nhân tố ảnh hưởng đến cường độ đất-Xi măng

ường độ và ổn định của hỗn hợp xi măng đất. Trên cơ sở đó làm nền tảng cho những nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng công nghệ cho những công trình cụ thể tại Việt Nam. Từ khóa: Đất - xi măng, soilcrete. 1. Đặt vấn đề Đối với nền móng công trình xây dựng, đất là môi trường chịu toàn bộ tải trọng công trình. Tính chất cơ lý của đất (cường độ, tính biến dạng, tính thấm, v.v.) có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định, biến dạng, và hiệu quả khai thác công trình. Với xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu xây dựng các công trình cầu đường, bến cảng v.v... ngày càng nhiều và trong nhiều trường hợp, vị trí công trình phải xây dựng ở nơi có địa chất yếu, vì vậy việc gia cố xử lý là cần thiết trước khi xây dựng công trình. Hiện nay cũng có rất nhiều giải pháp xử lý đất yếu, tùy thuộc vào tình hình đất nền, loại và qui mô công trình, mức độ thuận lợi, thời gian thi công, kinh tế, môi trường mà chọn giải pháp cho hợp lý. Trong đó có một giải pháp đang được quan tâm ở Việt Nam mà nó đã phát triển và ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới đó là tận dụng đất tại chỗ trộn với xi măng gọi là công nghệ đất trộn xi măng. Mục đích gia cố của công nghệ này là làm tăng cường độ, khống chế biến dạng, giảm tính thấm của đất yếu hoặc để vệ sinh các khu nhiễm độc. Nói cách khác là làm thay đổi đất, nâng cao chất lượng của đất bằng cách cứng hóa tại chỗ. Công nghệ đất trộn xi măng đã có rất nhiều các đánh giá tổng hợp được trình bày trong suốt những thập niên qua tại các hội nghị, nhiều bài báo nghiên cứu kết quả đất trộn xi măng bằng thực nghiệm trong phòng hay hiện trường với các điều kiện địa chất khác nhau, trong đó có cả những kết quả đồng thuận và không đồng thuận của các nhà nghiên cứu. Do đó, việc nghiên cứu tổng quan lại, từ đó rút ra được cơ sở lý thuyết áp dụng phù hợp với điều kiện địa chất công trình thực tế ở Việt Nam là điều cần thiết. 2. Cơ chế hình thành cường độ đất - xi măng Xử lý đất yếu bằng đất trộn xi măng, mục đích chính là dựa vào các phản ứng hóa học giữa cát pha trong đất với các thành phần hóa học, khoáng vật của xi măng theo chiều hướng có lợi làm Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 83 tăng khả năng làm việc, chỉ tiêu cơ lý của đất. Trong đất gồm 3 pha: Pha rắn gồm thành phần khoáng và thành phần hạt chiếm tỷ lệ lớn trong đất, pha lỏng chính là nước trong đất gồm có nước trong hạt khoáng vật, nước liên kết mặt ngoài và nước tự do chứa trong các lỗ rỗng, pha khí: nếu các lỗ rỗng trong đất mà không chứa đầy nước thì khí chiếm chỗ trong các lỗ rỗng ấy. Trong đất sét gồm 3 khoáng vật chính: Ilit, Kaolinít, Montmoriolít. Trong số đó thì khoáng vật Montmoriolít đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình tương tác với các vật chất mới được đưa từ bên ngoài vào. Trong xi măng Portland có bốn thành phần khoáng vật chính, bao gồm Tricalcium Silicate (C3S) (3CaO.SiO2), Dicalcium Silicate (C2S) (3CaO.SiO2), Tricalcium Aluminate (C3A) (3CaO.Al2O3) và chất rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino-Ferrit (C4A) (4CaO.Al2O3). Bốn phần tử chính này quyết định cường độ và các tính chất khác của ximăng. Khi gặp nước lỗ rỗng trong đất, lập tức xảy ra phản ứng thủy hóa giữa các khoáng trong xi măng với nước tạo các sản phẩm chính là Hydrated Calcium Silicate (C3SHx, C3S2Hx), Hydrated Calcium Aluminate (C3SAx, C3S2Ax) và vôi tôi Ca(OH)2. Hydrate calcium-silicate (C3SHx, C3S2Hx) sinh ra là chất không tan, tồn tại ở dạng keo sệt bao phủ các hạt xi măng, cốt liệu lại với nhau tạo thành kết cấu khung có cường độ nhất định bao bọc các hạt đất chưa bị thay thế. Còn sản phẩm vôi tôi (Ca(OH)2, một phần cũng có thể kết hợp với các pha Hydrate khác, kết tinh được một phần. Một phần phân chia ra các ion Ca2+ và (OH)- làm tăng chỉ số pH của nước lỗ rỗng. Với điều kiện pH cao, ở nhiệt độ bình thường xảy ra các phản ứng giữa Ca2+ và puzolan (SiO2 và Al2O3) có trong khoáng chất bề mặt hạt sét hoặc vật liệu vô định hình. Phản ứng này được gọi là phản ứng pozzolanic, sản phẩm của phản ứng pozzolanic (CSH, CAH) hóa rắn theo thời gian bảo dưỡng, tăng cường độ và độ ổn định đất yếu. Phản ứng hóa học giữa các thành phần trong hỗn hợp đất xi măng được thể hiện trong các phương trình sau: C3S + H2O →C3S2Hx (hydrate gel)+Ca(OH)2 (1) Ca(OH)2 → Ca2+ + 2 (OH)- (2) Ca2+ + 2 (OH)- + SiO2 (Soil silica) → CSH (3) Ca2+ + 2(OH)- + Al2O3(Soil alumina)→ CAH (4) Khi pH<12,6 thì xảy ra phản ứng: C3S2Hx → CSH + Ca(OH)2 (5) Sự hình thành của CSH chỉ có ích khi nó được hình thành bởi phản ứng pozzolanic của vôi và silicat trong đất, nhưng nó sẽ bất lợi khi CSH được tạo thành từ sự tiêu hủy C3S2Hx. Vì những đặc tính độ bền phát sinh của C3S2Hx thì ưu việt hơn CSH. Như vậy từ sự phân tích các phương trình phản ứng hóa học trên, có thể kết luận nguyên lý làm việc của đất trộn xi măng theo trình tự như sau: Xi măng sau khi trộn với đất sẽ sinh ra một loạt các phản ứng hóa học rồi dần đóng rắn lại: Các phản ứng hóa học chủ yếu của chúng là: + Phản ứng thủy giải và thủy hóa xi măng + Tác dụng của các hạt đất với các chất thủy hóa của ximăng + Tác dụng cácbonát hóa (đóng rắn) Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 84 3. Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ đất – xi măng (soilcrete) 3.1. Loại xi măng Sự hình thành cường độ cọc đất xi măng là dựa vào các phản ứng giữa các thành phần hóa học của xi măng với các thành phần khoáng của đất, tạo ra những sản phẩm có lợi, làm tăng cường độ, cải thiện các đặc trưng cơ lý của đất. Như vậy có nghĩa là cường độ, mức độ cải thiện của đất nền là phụ thuộc thành phần hóa học của chất kết dính. Với một điều kiện nhất định, các loại chất kết dính khác nhau thì cho kết quả khác nhau. Nhiều nghiên cứu trên thế giới cho thấy sử dụng xi măng portland (PC) làm chất gia cường mang lại hiệu quả cao hơn so với việc sử dụng vôi, tro bay trong hầu hết các điều kiện khác nhau. Saitoh (1988), làm thí nghiệm cho hai loại xi măng đó là xi măng pooclăng và xi măng trộn xỉ lò cao loại B cho hai loại đất sét được lấy ở Cảng Yokohama và cảng Osaka. Mỗi loại được thí nghiệm cho ba hàm lượng ximăng 100kg/m3, 200kg/m3, 300kg/m3, cùng thời gian bảo dưỡng. Kết quả cho thấy tỷ số qutc/qu28 của đất trộn xi măng xỉ lò cao loại B lớn hơn cho cả hai loại đất (Hình 1). Hình 1. Ảnh hưởng của loại xi măng đến cường độ soilcrete 3.2. Hàm lượng xi măng Ngoài loại xi măng, thì hàm lượng xi măng cũng quyết định đến cường độ đất nền sau khi xử lý. Hàm lượng xi măng tăng thì cường độ soilcrete tăng. Mối quan hệ giữa cường độ soilcrete và hàm lượng xi măng thể hiện ở Hình 2. Tuy nhiên, khi hàm lượng xi măng vượt quá một giá trị nào đó, cường độ của soilcrete giảm, hàm lượng xi măng thêm vào tùy thuộc loại đất và thuộc tính mỗi loại đất, vì vậy, việc xác định hàm lượng xi măng tối thiểu cho từng loại đất gia cố là được yêu cầu để cải thiện cường độ của đất cần xử lý. Hình 2. Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ soilcrete Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 85 3.3. Thời gian bảo dưỡng Qua nghiên cứu của nhiều tác giả đưa ra kết luận cường độ soilcrete tăng theo thời gian bảo dưỡng, sự gia tăng cường độ là do tốc độ của phản ứng pozzolanic giữa sản phẩm của quá trình thủy hóa xi măng với các khoáng chất trong đất chậm, kéo dài nên cường độ của đất nền được gia tăng theo thời gian. Tuy nhiên, khi thời gian bảo dưỡng đủ lâu (lớn hơn 4 tháng) thì cường độ soilcrete hầu như tăng không đáng kể (Hình 3). Hình 3. Ảnh hưởng thời gian bảo dưỡng đến cường độ Soilcrete ứng với các hàm lượng ximăng khác nhau Michell (1981) đã thiết lập mối quan hệ giữa cường độ nén không nở hông với hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng theo (6). qu (t)=qu (t0) + K log (t/t0) (6) Trong đó: qu(t): cường độ nén nở hông ở t ngày (kPa), qu(t0): cường độ nén nở hông ở t0 ngày (kPa) (to < t), K= 480.C với đất rời và 70.C với đất mịn, C: hàm lượng xi măng (% thể tích). Qua phương trình (6) rõ ràng là cường độ cọc đất xi măng tăng theo thời gian và tỷ lệ tăng này còn phụ thuộc vào hàm lượng xi măng, tỷ lệ nước/ xi măng thể hiện ở Hình 3. 3.4. Loại đất Những tính chất cơ lý của đất nền như cỡ hạt, lượng nước, giới hạn Atterbergs, các loại khoáng vật trong đất, khả năng trao đổi ion, hàm lượng silicat và aluminat, độ pH của nước trong lỗ rỗng và hàm lượng chất hữu cơ có tác động đến tính chất của đất sau khi xử lý. Nhiều nhà nghiên cứu như Kaki và Yang (1991), Tan et al. (2002), Bell (1993) đã làm thí nghiệm cho ba loại đất đó là cát, sét và sỏi với hàm lượng xi măng tăng dần kết quả cho thấy đối với đất cát trộn xi măng đạt cường độ cao hơn và hao tốn lượng xi măng ít hơn so với đất sét và sỏi, kết quả này thể hiện ở Hình 1. Đất có thành phần hạt sét kích cỡ nhỏ càng nhiều, diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, để đạt cường độ yêu cầu thì đỏi hỏi lượng xi măng lớn để liên kết hết với cát hạt sét. Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 86 Hình 4. Ảnh hưởng của loại đất đến cường độ soilcrete 3.5. Độ ẩm Theo kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả kết luận với một độ ẩm tối ưu thì cường độ soilcrete là tốt nhất. Nước lỗ rỗng đóng vai trò là chất tham gia phản ứng thủy hóa hình thành cường độ sau khi xử lý và đồng thời là dung môi cho phản ứng pozzolanic để tăng cường độ theo thời gian. Vì vậy, để cường độ của hỗn hợp được phát triển tốt đòi hỏi hàm lượng nước trong hỗn hợp đất xi măng phải lớn hơn một giá trị tối thiểu. Nếu hàm lượng nước quá cao sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành cường độ của hỗn hợp đất xi măng. Hình 5. Ảnh hưởng của hàm lượng nước tới cường độ soilcrete 3.6. Độ pH Độ pH của đất có ảnh hưởng đến cường độ soilcrete, độ pH cao là một trong những điều kiện thuận lợi cho phản ứng pozzolanic xảy ra, để hình thành cường độ cho soilcrete. Elias et al. (2001) cho rằng độ pH trong đất phải lớn hơn 5 thì cường độ soilcrete mới phát triển. 3.7. Hàm lượng hữu cơ Hàm lượng hữu cơ trong đất ảnh hưởng đến cường của soilcrete, hàm lượng hữu cơ càng cao thì cường độ hỗn hợp càng giảm. Đất có hàm lượng hữu cơ cao, và những nơi mà hàm lượng muối trong đất lớn, đặc biệt là muối Sunfat, chúng có thể ngăn cản quá trình Hydrate của xi măng làm giảm cường độ của đất sau xử lý. Cơ chế của sự can thiệp hàm lượng hữu cơ trong việc tăng cường độ soilcrete được cho như sau: + Chất hữu cơ có thể làm thay đổi thành phần và cấu trúc của sản phẩm phản ứng pozzolanic (C-S-H), ở dạng keo để liên kết các hạt đất và cũng có thể làm thay đổi cả về loại và số lượng của một số sản phẩm hidrat khác. + Chất hữu cơ giữ nước làm hạn chế lượng nước cho quá trình hidrát hóa. + Chất hữu cơ phản ứng với nhôm silicát và các ion kim loại trong đất làm cản trở quá trình hidrat hóa. Trong đất có hàm lượng hữu cơ cao, cần phải rất thận trọng khi dùng phương pháp trộn xi măng, khi cần thiết phải tăng lượng xi măng hoặc phải dùng các phụ gia đóng rắn nhanh. Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 87 3.8. Ảnh hưởng của điều kiện trộn Chất lượng, cường độ khối xi măng đất còn phụ thuộc vào mức độ đồng đều trong quá trình thi công. Nền đất của một công trình có thể có nhiều tầng địa chất khác nhau, vì vậy khi thi công ngoài việc bơm lượng xi măng phù hợp cho tầng đất đó còn phải tính toán chọn thiết bị thi công sao cho hiệu quả nhất. Mục đích của quá trình trộn là phân tán chất kết dính vào trong đất tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình xảy ra các phản ứng hóa học. Các nhân tố ảnh hưởng liên quan đến quá trình thi công bao gồm: + Tính lưu biến của đất; hàm lượng chất kết dính; + Áp suất và hàm lượng khí nén; + Hình dạng cánh trộn liên quan đến phân bố xi măng; + Số lượng lưỡi trộn; + Năng lượng trộn, tốc độ rút và quay của cần trộn; + Năng lượng đầm. 4. Kết luận Loại xi măng có ảnh hưởng đến cường độ nén của xi măng – đất. Cường độ của xi măng – đất tăng đáng kể theo hàm lượng xi măng trong vòng một tháng tuổi và tiếp tục tăng theo thời gian với tốc độ chậm hơn. Cùng hàm lượng xi măng đất cát trộn xi măng cho cường độ cao hơn so với đất sét. Độ ẩm trong đất ảnh hưởng đến cường độ xi măng - đất, khi vượt quá giá trị độ ẩm tối ưu thì độ ẩm càng tăng cường độ xi măng - đất càng giảm. Hàm lượng hữu cơ trong đất càng cao làm ngăn cản quá trình hydrat hóa của xi măng, làm giảm cường độ nén. Khi độ pH > 5, độ pH càng tăng thì cường độ xi măng - đất càng tăng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.H.M. Kamruzzaman. 2002. Physico-Chemical and Engineering of cement treated Singapore marine clay, M.Eng. Thesis, National University of Singapore, Singapore, 184 pp. [2] S. Bhattacharja and J.I. Bhatty. 2003. Comparative Performanceof Portland Cement and Lime Stabilization of Moderate to High Plasticity Clay Soils RD125, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, USA, 21 pp. [3] Coastal Development Institute of Technology (CDIT 2002). 2002. The deep mixing method: principle, design and construction, Tokyo, Balkema, 123 pp. [4] B.B.K. Huat, S. Maail, and T.A. Mohamed. 2005. Effect of Chemical Admixtures on the Engineering Properties of Tropical Peat Soils, American Journal of Applied Sciences, Vol. 7, pp. 1113-1120. [5] T.S.Tan, T.L. Goh, and K.Y. Yong. Properties of Singapore Marine Clays Improved by Cement Mixing, Geotechnical Testing Journal, Vol. 25, No. 4, 12. [6] J. Jacobson. 2002. Factors Affecting Strength Gain in Lime - Cement Columns and Development of a Laboratory Testing Procedure, MA. Thesis, the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University, Virginia, 62 pp. [7] S. Horpibulsuk, N. Miura, and T.S. Nagaraj. 2003. Assessment of strength development in cement-admixture high water content clays with Abram’s law a basis, Geotechnique 53, No. 4, pp. 439-444. [8] M. Janz and S.E. Johansson. 2002. The Function of Different Binding Agents in Deep Stabilization, Swedish Geotechnical Institute, SE-581 93 Linkoping, Sweden, 47 pp.