Nghiên cứu gia cố vật liệu đất bazan bằng xi măng, tro bay và nhủ tương nhựa đường áp dụng trong xây dựng đường ô tô tại tỉnh đăk lăk,luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Với điều kiện tự nhiên đặc thù, tỉnh ĐăkLăk có diện tích đất đỏ bazan rất lớn với 325 nghìn ha chiếm 24,8% DT tự nhiên, là loại đất được hình thành từ đá Bazan phong hoá, có hàm lượng bụ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG GIAO THÔNG CỦA TỈNH ĐĂK LĂK 3

1.1 Điều kiện tự nhiên 3

1.1.1 Vị trí địa lý 3

1.1.2 Đặc điểm tự nhiên 3

1.2 Tình hình xây dựng công trình giao thông đường bộ 5

1.2.1 Hiện trạng giao thông khu vực 5

1.2.2 Kết cấu áo đường sử dụng trên địa bàn tỉnh Đăk Lăk 10

1.2.3 Trắc ngang điển hình 12

1.3 Các giải pháp gia cố đất và đặc điểm cơ bản 13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LỰA CHỌN CHẤT LIÊN KẾT GIA CỐ ĐẤT BAZAN - CÁC CHỈ TIÊU THÍ NGHIỆM VÀ LẬP KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM GIA CỐ ĐẤT 15

2.1 Cơ sở lý thuyết lựa chọn chất gia cố đất bazan 15

2.1.1 Xi măng Portland 15

2.1.2 Nhũ tương nhựa đường 28

2.1.3 Tro bay 37

2.1.4 Đất Bazan - vật liệu xây dựng 44

2.2 Cơ sở lý thuyết thiết kế kết cấu mặt đường ô tô sử dụng lớp móng bằng đất bazan gia cố 65

2.2.1 Các phương pháp gia cố đất sử dụng trong xây dựng đường ôtô 65

2.2.2 Phương pháp tính chiều dày kết cấu mặt đường ôtô sử dụng đất gia cố 70

2.2.3 Các thông số chủ yếu để thiết kế kết cấu mặt đường ôtô sử dụng đất Bazan gia cố 71

2.2.4 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm 22 TCN 211 - 06 73

2.3 Kết luận 75

2.3.1 Lựa chọn vật liệu gia cố đất Bazan 75

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐẤT BAZAN GIA CỐ BẰNG XI MĂNG, TRO BAY VÀ NHŨ TƯƠNG BITUM 76

3.1 Kế hoạch thí nghiệm 76

3.1.1 Các thí nghiệm tiến hành 76

3.1.2 Số lượng mẫu thí nghiệm 77

3.1.3 Chuẩn bị mẫu đất gia cố [11] 77

3.2 Tiến hành thí nghiệm - kết quả thí nghiệm 78

3.2.1 Thí nghiệm phân tích thành phần hạt trong phòng (TCVN 4198:95) 78

3.2.2 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu Atterberg (WT, WP) (TCVN 4197:95) 85

3.2.3 Thí nghiệm cắt phẳng (xác định C, ) (TCVN 4199:95) 89

3.2.4 Thí nghiệm Proctor (xác định kmax , wop) (22TCN 333:06) 94

3.2.5 Thí nghiệm CBR (22TCN 332:06) 97

3.2.6 Thí nghiệm Proctor (xác định kmax , wop) (22TCN 333:06) 102

3.2.7 Thí nghiệm cắt phẳng (xác định C, ) (TCVN 4199:95) 103

3.2.8 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén (Rn) (22TCN 59-84) 104

3.2.9 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hối (Eđh) (theo mô hình nén dọc trục hạn chế nở hông được mô tả trong 22TCN 211:06) 106

3.2.10 Thí nghiệm xác định cường độ ép chẻ (Rec) (22TCN 73-84) 107

3.3 Phân tích các kết quả thí nghiệm 109

3.3.1 - Đánh giá về đất bazan không gia cố sử dụng trong xây dựng đường bộ 109

3.3.1 - Phân tích khả năng cải thiện các chỉ tiêu cơ lý của đất bazan khi áp dụng các phương án gia cố để sử dụng làm lớp móng của mặt đường 109

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT KHẢ NĂNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐẤT BAZAN GIA CỐ LÀM LỚP MÓNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 113

4.1 Đề xuất các kết cấu áo đường sử dụng đất bazan gia cố làm lớp móng 113

4.2 Khả năng sử dụng vật liệu đất bazan gia cố trong xây dựng mặt đường 115

4.2.1 Khả năng đáp ứng về vật liệu và công nghệ thi công 115

4.2.2 Công tác thi công và nghiệm thu 118

4.2.3 Đánh giá về giá thành xây dựng khi sử dụng vật liệu Bazan gia cố trong xây dựng đường ôtô 119

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

PHỤ LỤC 122

Phụ lục 1: Kết quả thí nghiệm

Phụ lục 2: Bảng tính kết cấu áo đường mới

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 - Tổng hợp hiện trạng đường GT tỉnh Đăk Lăk 7

Bảng 1.2 - Thống kê loại mặt đường tỉnh Đăk Lăk 8

Bảng 1.3 - Áp dụng tiêu chuẩn kỹ thuật trong các dự án đường bộ tại địa bàn tỉnh Đăk Lăk 9

Bảng 1.4 - Bảng tổng hợp khối lượng và quy mô mặt cắt các tuyến đường trong địa bàn tỉnh 10

Bảng 1.5 - Bảng một số loại kết cấu áo đường thường được áp dụng trong địa bàn tỉnh 11

Bảng 2-1 Thành phần hoá học của Clinke 16

Bảng 2-2 Thành phần khoáng vật của Clinke 17

Bảng 2-3 Thành phần khoáng vật của các loại xi măng Việt Nam 19

Bảng 2-4 Thành phần hoá học của xi măng Portland 19

Bảng 2.5 Mức độ thuỷ hoá của các khoáng vật 22

Bảng 2.6 Chỉ tiêu kỹ thuật xi măng 26

Bảng 2.7 Các nhóm đất đá theo mức độ thuận lợi cho gia cố xi măng 27

Bảng 2.7 Các nhóm thành phần khoáng vật theo mức độ thuận lợi gia cố xi măng 27

Bảng 2.8 - Các chỉ tiêu kỹ thuật của bitum đặc theo tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam 29

Bảng 2.9 - Trích dẫn tiêu chuẩn 22TCN - 354 - 06 nhũ tương bitum axit 33

Bảng 2.10 - Các chỉ tiêu của nhũ tương bitum axit 35

Bảng 2.11 - Phân loại tro bay theo ASTM 618 40

Bảng 2-12 - Thành phần tro của các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam 40

Bảng 2.12 - Phân loại các nhóm đất 44

Bảng 2.13 - Phân loại đất theo tính dính 44

Bảng 2.14 - Phân loại đất theo chỉ số dẻo Ip (Atterberg) [9]: 45

Bảng 2.15 - Phân loại đất dính theo độ trương nở [9]: 45

Bảng 2.16 - Phân loại đất hạt thô 45

Bảng 2.17 - Phân loại đất hạt mịn 46

Bảng 2.18 - Độ hoạt động của khoáng vật sét theo Skempton (1953) và Mitchell (1976) 56

Bảng 2-19 Số liệu phân tích lý hoá học (phẫu diện Đ29-CưJut, ĐăkNông [9]) 62

Bảng 2-20 Đặc điểm thành phần cơ giới của đất Feralit nâu đỏ trên Bazan, và các loại đá macma trung tính, kiềm (phẫu diện ĐL01-Yabông, ĐăkLăk [10]) 63

Bảng 2.21 - Phân loại các phương pháp gia cố đất [4] 67

Bảng 3-1 Kết quả thí nghiệm sàng khô đất bazan 84

Bảng 3-2 Kết quả thí nghiệm sàng ướt đất bazan 84

Bảng 3-3 Kết quả phân tích thành phần hạt đất bazan bằng tỷ trọng kế 85

Bảng 3.4 - Bảng phân loại và đánh giá trạng thái của đất theo Ip, Il[9] 88

Bảng 3-5 Kết quả thí nghiệm xác định các chỉ tiêu Atterberg của đất bazan 88

Bảng 3-6 Kết quả thí nghiệm cắt phẳng xác định (, C) 94

Bảng 3.7 - Tthông số kỹ thuật ứng với các phương pháp đầm nén 95

Bảng 3-8 Kết quả thí nghiệm Proctor (kmax , wo) 97

Bảng 3-9 Kết quả thí nghiệm CBR đất bazan chưa gia cố 101

Bảng 3-10 Kết quả thí nghiệm Proctor (kmax , wop) đất bazan gia cố 103

Bảng 3-11 Quả thí nghiệm cắt phẳng xác định (, C) đất bazan gia cố 104

Bảng 3-12 Quả thí nghiệm cường độ chịu nén (Rn) đất bazan gia cố 105

Bảng 3-13 Quả thí nghiệm mô đun đàn hồi (Eđh) đất bazan gia cố 107

Bảng 3-14 Quả thí nghiệm cường độ ép chẻ (Rec) đất bazan gia cố 108

Bảng 3.15 - Sự thay đổi về dung trọng khô và độ ẩm đầm nén tốt nhất của các hỗn hợp đất bazan có gia cố 110

Bảng 3.16 - Mức tăng lực dính và góc ma sát trong của các hỗn hợp có gia cố 110

Bảng 3.17 - Các thông số cơ học của vật liệu gia cố 111

Bảng 4.1- Tổng hợp các loại kết cấu áo đường ô tô kiến nghị áp dụng 113

Bảng 4.2 - Một số kết cấu áo đường điển hình đề xuất có sử dụng vật liệu bazan gia cố 115

Bảng 4.3 - Chiều dày lớp tính toán tương ứng với mỗi lớp vật liệu và mô đun đàn hồi tính toán và mô đun đàn hồi chung 119

Bảng 4.4 - Chiều dày lớp tính toán tương ứng với mỗi lớp vật liệu và mô đun đàn hồi tính toán và mô đun đàn hồi chung 120

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Cấu trúc khoáng vật trong xi măng 18

Hình 2.2 - Quá trình thủy hóa xi măng và sự phát triển cấu trúc hồ trúc 21

Hình 2.3 - Sơ đồ thí nghiệm uốn mẫu xi măng 25

Hình 2.4 - Ảnh hưởng của pH đến độ bền của đất - xi măng 28

Hình 2.5 - Quá trình phân tích của nhũ tương nhựa (khi lưu trữ bảo quản) 32

Hình 2.6 - Quá trình phân tích của nhũ tương (khi tương tác với cốt liệu) 32

Hình 2.7 - Sử dụng nhũ tương bitum của một số quốc gia trên thế giới 35

Hình 2.8 - Hình ảnh của tro đáy và tro bay 37

Hình 2.9 - Tro bay chưa xử lý tách than (trái) và tro bay đã xử lý tách than (phải) 38

Hình 2.10 - Màu sắc của các loại tro khác nhau 38

Hình 2.11 - Phân loại đất hạt mịn 47

Hình 2-12 - Khoáng vật sét - cấu trúc một tứ diện đơn silic 48

Hình 2.13 - Khoáng vật sét - cấu trúc một bát diện đơn 49

Hình 2.14 - Khoáng vật sét kaolinit 50

Hình 2.15 - Sơ đồ rút gọn về cấu tạo tinh thể của khoáng vật montmorilonit 51

Hình 2.16 - Cấu trúc tinh thể của khoáng vật montmorilonit 51

Hình 2.17 - Ảnh chụp tinh thể của khoáng vật montmorilonit, chiều dài vệt sáng 5m 52

Hình 2.18 - Sơ đồ rút gọn về cấu tạo tinh thể khoáng vật Illit (theo Lambe, 1953) 53

Hình 2.19 - Ảnh tinh thể khoáng vật Illit, chiều dài vệt sáng 5m 53

Hình 2.20 - Vị trí các khoáng vật sét thường gặp trên biểu đồ dẻo của Cassgrande, 1948 54

Hình 2.21 - Giá trị trung bình về kích thước, bề dày và tỷ diện tích của một số khoáng vật sét thường gặp (theo Yong và Warkentin, 1975) 55

Hình 2-22 Ảnh hưởng của trị số pH của dung dịch ngoài đến cấu trúc của lớp điện kép xung quanh hạt sét (keo) 58

Hình 2-23 - Đường cong thành phần hạt mẫu đất đỏ Bazan 64

Hình 2-24 - Thí nghiệm uốn dầm vật liệu gia cố xác định mô đun đàn hồi vật liệu 72

Hình 2-25 - Xác định cường độ chịu kéo gián tiếp bằng ép chẻ mẫu hình trụ 72

Hình 3-1 Đường cong thành phần hạt 83

Hình 3-2 Các đặc trưng thành phần hạt 84

Hình 3-3- Đường cong thành phần hạt đất Feralit nâu đỏ trên Bazan 85

Hình 3-4 Biểu đồ xác định giới hạn chảy Wl (theo p/p Casagrande) 87

Hình 3-6 Máy cắt kiểu ứng biến; Hộp cắt đất 90

Hình 3-7 Đồ thị ứng suất cắt - ứng suất pháp 93

Hình 3-8 Biểu đồ quan hệ độ ẩm - khối lượng thể tích khô 96

Hình 3-9.a (Không hiệu chỉnh) 100

Hình 3-9.b (Hiệu chỉnh bằng cách dời gốc tọa độ) 100

Hình 3-10 - Biểu đồ quan hệ CBR - khối lượng thể tích khô (độ chặt K) 101

Hình 3-11 - Biểu đồ quan hệ độ ẩm - khối lượng thể tích khô 103

Hình 3.12 - Mức tăng lực dính của các hỗn hợp gia cố 111

Hình 3.13 - Mức tăng góc ma sát trong của các hỗn hợp gia cố 111

Hình 3.14 - So sánh mô đun đàn hồi của các loại vật liệu gia cố với vật liệu truyền thống là

cấp phối đá dăm, cát gia cố xi măng và cấp phối tự nhiên  16  112

Hình 3.15 - So sánh mô đun đàn hồi của các loại vật liệu gia cố với cấp phối đá sỏi loại 2 gia cố xi măng 16  112

Hình 3.16 - So sánh cường độ kéo uốn của các loại đất bazan gia cố với đá dăm, đất cấp phối tốt và cát gia cố xi măng  16  112

Hình 4.1 - Cấu tạo trắc ngang điển hình KCM-01 114

Hình 4.2 - Cấu tạo trắc ngang điển hình KCM-02 114

Hình 4.3 - Cấu tạo trắc ngang điển hình KCM-03 114

Hình 4.4 - Cấu tạo trắc ngang điển hình KCM-04 114

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian 2 năm, học tập và nghiên cứu tại trường đại học Giao thông vận tải, đến nay đề tài luận văn Thạc sỹ của em đã hoàn thành, đạt kết quả khả quan các mục tiêu nghiên cứu đề ra

Qua đây, em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến các cô, các thầy của trường đại học giao thông vận tải, đã nhiệt tình truyền thụ nhiều kiến thức bổ ích, giúp em hoàn thành tốt chương trình thạc sỹ ở trường Đặc biệt, em xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Trần Thi Kim Đăng, người đã rất tận tâm hướng dẫn em thực hiện đề tài nghiên cứu, đã truyền tải những kiến thức chuyên sâu và chia sẻ các kinh nghiệm thực tế liên quan đến đề tài nghiên cứu !

Và tôi xin cảm ơn lãnh đạo công ty CP tư vấn xây dựng Đăk Lăk đã quan tâm, tạo điều kiện cho tôi được tham gia khóa học này; xin cảm ơn phòng thí nghiệm (LAS 857) - công ty TNHH TV XD Thiên Phú và phòng thí nghiệm công trình (VILAS 047) - trung tâm KHCN GTVT, trường đại học GTVT Hà Nội đã giúp tôi hoàn thành tốt công tác thí nghiệm các chỉ tiêu cơ - lý của đất bazan và vật liệu bazan gia cố

LỜI CAM ĐOAN

Đây là đề tài nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, trước đây chưa có nghiên cứu nào về

đề tài này Các thông số, khái niệm được vận dụng từ các nguồn tài liệu được trích dẫn đầy đủ

ở mục Tài liệu tham khảo

Tôi xin cam đoan, và chịu trách nhiệm về đề tài nghiên cứu của mình

từ 2060 km/h Nền, mặt đường được thiết kế với các loại kết cấu chủ yếu là: Nền đường -

chủ yếu tận dụng đất tại chổ, có chất lượng tương đối tốt, đạt mô đun đàn hồi Eo= 3540 (50)

(Mpa); Móng đường - gồm móng cấp phối đồi, đá dăm macađam, móng đá dăm (4x6)cm kẹp đất, cấp phối đá dăm loại I và loại II; Mặt đường - chủ yếu là mặt đường đá dăm láng nhựa,

mặt đường bê tông nhựa và khối lượng ít mặt đường bê tông xi măng Đây là những loại kết cấu áo đường truyền thống, có cường độ và độ ổn định cường độ cao, đáp ứng rất tốt các yêu cầu kỹ thuật, yêu cầu về duy tu bão dưỡng, trong xây dựng đường ô tô; mặt khác công tác thiết kế loại kết cấu này rất đơn giản, gần như là định hình ứng với mỗi cấp đường

Mặc dù đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật, công tác thiết kế đơn giản, nhưng các kết cấu truyền thống này ngày càng bộc lộ nhiều nhược điểm như: suất đầu tư lớn do phải dùng vật liệu chủ yếu đước sản xuất 100% bằng máy, phải vận chuyển từ nơi xa đến, mà hầu hết các đơn vị thi công phải mua theo giá thị trường luôn biến động so với giá dự toán được duyệt; xe nặng vận chuyển vật liệu gây hư hỏng đường trong khu vực phải sửa chữa phục hồi sau khi thi công, hoặc phải vận chuyển non tải để được lưu hành, dẫn đến kéo dài thời gian cung cấp vật liệu, đội chi phí công trình lên cao; nguồn cấp phối sỏi đồi ngày càng khan hiếm

và đắt đỏ do vận chuyển từ xa tới; mặt khác việc tập trung khai thác quá nhiều một loại vật liệu dẫn đến nguồn tài nguyên bị khai thác cạn kiệt; ảnh hưởng đến môi trường sinh thái trong khu vực: rẫy nương biến thành ao hồ, đồi nứi bị san bằng hay đào bới nham nhở, bờ sông suối

bị sat lở do việc khái thác cát quá mức cho phép Từ những hạn chế nêu trên, bài toán đặt ra là cần phải tránh sử dụng hoặc hạn chế tối đa việc sử dụng các loại vật liệu truyền thống (cấp phối đồi, đá dăm macađam, cấp phối đá dăm các loại), bằng cách tìm nguồn vật liệu tại chổ qua xử lý đạt chất lượng tương đương để thay thế

Với điều kiện tự nhiên đặc thù, tỉnh ĐăkLăk có diện tích đất đỏ bazan rất lớn với 325 nghìn ha (chiếm 24,8% DT tự nhiên), là loại đất được hình thành từ đá Bazan phong hoá, có hàm lượng bụi sét, tính dính tương đối lớn, là loại vật liệu thích hợp cho việc gia cố bằng chất kết dính vô cơ kết hợp hữu cơ

Xuất phát từ những vấn đề được phân tích ở trên, tác giả đề xuất hướng nghiên cứu

của đề tài là “Nghiên cứu gia cố vật liệu đất Bazan bằng xi măng, tro bay và nhủ tương nhựa đường áp dụng trong xây dựng đường ôtô ” việc nghiên cứu thành công và được ứng

dụng đại trà trong thực tế sẽ mang lại lợi ích về nhiều mặt như: Hiệu quả về kỹ thuật - việc sử

dụng vật liệu đất bazan gia cố trong kết cấu áo đường có ảnh hưởng quyết định đến cường độ

và tuổi thọ của toàn bộ kết cấu nền mặt đường, quan điểm này chi phối các tiêu chuẩn thiết kế

thiết kế và xây dựng hiện đại; Hiệu quả về kinh tế - việc sử dụng vật liệu đất bazan gia cố

mang lại hiệu quả kinh tế cao do: nguồn đất tận dụng từ nền đào, các chất kết dính sẵn có trên thị trường, tận dụng chất phế thải công nghiệp và có công nghệ sản xuất dơn giản bằng thiết

bị thông dụng kết hợp với công nhân phổ thông, mặt khác sẽ hạn chế tối đa chi phí vận

chuyển, kéo dài tuổi thọ của kết cấu công trình; Ngoài ra còn mang lại các lợi ích khác như:

góp phần bảo vệ hệ mạng lưới đường trong khu vực, giảm thiểu tác động đến môi trường cũng như góp phần làm giảm ô nhiểm môi trường do có thể sử dụng chất phế thải công nghiệp (tro bay) làm chất kết dính

Tuy nhiên, để kết cấu áo đường mới được áp dụng rộng rãi, phương pháp này vẫn còn nhiều hạn chế, một phần là do chưa xây dựng được cơ sở lý thuyết, thực nghiệm vững chắc, chưa có các định mức kỹ thuật Do đó, bài toán đặt ra là phải tiếp tục nghiên cứu xây dựng được cơ sở lý thuyết cho phương pháp, tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm đủ để kiểm chứng và hoàn thiện cụng nghệ, định mức kỹ thuật Công việc này đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và kinh phí với sự hưởng ứng tích cực của các cá nhân - tổ chức nghiên cứu khoa học, các cơ quan quản lý có thẩm quyền của nhà nước, cùng với sự tham gia của các đơn vị xây lắp, các tổ chức tư vấn trên địa bàn Có như vậy, giải pháp gia đất bazan bằng chất kết dính vô cơ kết hợp với hữu cơ (nói riêng) và các giải pháp nghiên cứu khác nhằm tìm kiếm nguồn vật liệu mới thay thế các vật liệu truyền thống đắt tiền, mới có thể thành công, để áp dụng rộng rãi trong thực tế xây dựng nhằm mang lại lợi ích thiết thực cho địa phương

Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu gia cố vật liệu đất bazan tại chổ, bằng chất kết dính vô cơ kết hợp với chất kết dính hữu cơ sử dụng làm lớp móng và mặt đường ô tô trên địa bàn tỉnh Đăk Lăk

Dự kiến kết quả nghiên cứu

+ Xây dựng cơ sở lý thuyết về vật liệu đất bazan gia cố xi măng, tro bay kết hợp với nhũ tương nhựa đường;

+ Bằng nghiên cứu thực nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của vật liệu bazan gia cố nhằm đảm bảo lớp vật liệu mới thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật sử dụng trong kết cấu áo đường

ô tô;

+ Xây dựng catolo kết cấu áo đường mới thay thế cho các kết cấu áo đường truyền thống kém hiệu quả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ TÌNH HÌNH XÂY DỰNG

ĐƯỜNG GIAO THÔNG CỦA TỈNH ĐĂK LĂK

1.1 Điều kiện tự nhiên

Tỉnh Đăk Lăk cũ được tách ra 2 tỉnh Đăk Lăk và Đăk Nông từ năm 2004; Đăk Lăk là một trong 5 tỉnh của vùng Tây Nguyên Việt Nam và nằm trong Tam giác phát triển (biên giới

ba nước Việt Nam - Lào - Campuchia) bao gồm lãnh thổ của 9 tỉnh: Kon Tum, Gia Lai, Đăk Lăk, Đắk Nông thuộc vùng Tây Nguyên Việt Nam; tỉnh Attapư, Sê Kông thuộc khu vực phía Nam nước Lào; tỉnh Ratanakiri, Stưng Treng và Bôldôlkiri thuộc vùng Đông Bắc Campuchia Các tỉnh trong Tam giác Phát triển có nhiều điểm tương đối giống nhau về các yếu tố

tự nhiên, KTXH, nhiều tiềm năng đất đai, tài nguyên rừng, tài nguyên nước, có thể bổ sung cho nhau, hỗ trợ và liên kết cùng nhau phát triển Chín tỉnh trong khu vực biên giới ba nước Việt Nam - Lào - Campuchia là những tỉnh nghèo nàn, lạc hậu về kinh tế, văn hóa khoa học

kỹ thuật thấp kém, giao thông đi lại rất khó khăn nhất là các tỉnh của Lào và Campuchia, do vậy chưa tạo ra được cơ hội thu hút các nhà Đầu tư trong và ngoài nước

1.1.1 Vị trí địa lý

Tỉnh Đăk Lăk phía Bắc giáp với tỉnh Gia Lai, phía Nam giáp tỉnh Lâm Đồng, phía Tây Nam giáp tỉnh Đăk Nông, phía Đông giáp tỉnh Phú Yên và Khánh Hòa, phía Tây giáp với Vương quốc Căm Pu Chia

Tỉnh Đăk Lăk bao gồm 01 thành phố Buôn Ma Thuột trực thuộc tỉnh, 01 thị xã Buôn

Hồ và 13 huyện là EaHleo, Ea Sup, Krông Năng, Krông Buk, Buôn Đôn, Cư M’Gar, Ea Kar, M’Đrăk, Krông Păk, Krông Bông, Krông Ana, Lăk và Cư Kuin Diện tích tự nhiên toàn tỉnh

là 13.125 km2, dân số (năm 2009) là 1.733.113 người Mật độ dân số trung bình toàn tỉnh là

132 người/km2 (2009)

Đăk Lăk có nhiều mạng giao thông nối liền tỉnh với các tỉnh trong vùng Tây Nguyên

và vùng Duyên hải Chạy xuyên suốt tỉnh theo chiều dài từ Bắc xuống Nam và nối liền với Gia Lai và Đăk Nông là quốc lộ 14; theo chiều Đông - Tây nối liền với Đà Lạt, Nha Trang (là hai trung tâm du lịch lớn) là quốc lộ 26 và 27 Đăk Lăk có sân bay Buôn Ma Thuột có các tuyến bay thẳng tới các thành phố lớn như Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh và Tp Đà Nẵng cộng với tuyến đường Hồ Chí Minh đã xây dựng hoàn thành và đang nâng cấp Mạng giao thông liên vùng là điều kiện cho Đăk Lăk mở rộng giao lưu với các tỉnh vùng Tây Nguyên và vùng Duyên hải miền Trung, tạo điều kiện thuận lợi để tỉnh Đăk Lăk phát triển kinh tế - xã hội

1.1.2 Đặc điểm tự nhiên

1.1.2.1 Địa hình

Địa hình của tỉnh Đắk Lăk khá phức tạp, có sự xen kẽ giữa các địa hình thung lũng, cao nguyên xen giữa núi cao và núi cao trung bình, có hướng thấp dần từ Đông Nam sang Tây Bắc Địa hình núi cao phân bố ở phía Nam, có độ cao từ 1.000 – 1.500 m, chiếm 35% diện tích toàn tỉnh Dãy núi cao nhất là dãy Chư Yang Sin có ngọn cao nhất tới 2.442 m Vùng cao nguyên Buôn Ma Thuột có địa hình thấp hơn, nằm ở trung tâm tỉnh, độ cao trung bình 550 -

750 m, chiếm 53,5% diện tích toàn tỉnh Địa hình phần lớn đã được khai thác và đưa vào sản xuất trong nhiều năm nay, vùng địa hình thấp trũng chiếm 12% diện tích tự nhiên, xen kẽ giữa cao nguyên với các dãy núi cao tạo ra những cánh đồng tương đối bằng; độ cao trung bình

400 - 500 m

1.1.2.2 Địa chất

 Địa chất: Theo kết quả phân loại đất đã được công bố năm 1995 (FAO - UNESCO),

đất Đăk Lăk được chia thành 11 nhóm đất chính là:

+ Nhóm đất phù sa (Fluvisols) có diện tích 15.037 ha chiếm 0,15% DTTN

+ Nhóm đất Gley (Gleysols) có 30.005 ha chiếm 2,29% diện tích tự nhiên

+ Nhóm đất than bùn (Histosols), diện tích 210 ha, chiếm 0,01% DTTN

+ Nhóm đất đen (Luvisols) có 39.450 ha chiếm 3,10% DTTN

+ Nhóm đất xám (Acrisols) có 593,8 nghìn ha, chiếm 45,6% DTTN

+ Nhóm đất đỏ (Ferralson Basaltic soils) có 324,7 nghìn ha, chiếm 24,8% DTTN + Nhóm đất nâu (Lixisols) có 149.043 ha (chiếm 11,39% DTTN)

+ Nhóm đất nâu thẫm (Phaeozems) có 23.286 ha, chiếm 1,78% DTTN

+ Nhóm đất có tầng sét chặt, cơ giới phân dị (Planols) ký hiệu (PL): diện tích 30,535

ha (chiếm 2,33% DTTN)

+ Nhóm đất xói mòn trơ sỏi đá (Leptosols) có 73 908 ha chiếm 5,65% DTTN

+ Nhóm đất nứt nẻ (Vertisols) có diện tích 3.916 ha chiếm 0,3% DTTN

1.1.2.3 Khí hậu:

Khí hậu tỉnh Đăk Lăk vừa mang tính chất khí hậu cao nguyên nhiệt đới ẩm, vừa chịu ảnh hưởng của gió mùa Tây Nam khô nóng Khí hậu có 2 mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô Mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 đến hết tháng 10, tập trung 90% lượng mưa hàng năm Mùa khô

từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, lượng mưa không đáng kể

 Nhiệt độ trung bình năm 22 - 230C, nhiệt độ cao nhất 350C, tháng nóng nhất là tháng

4 Nhiệt độ thấp nhất 140C, tháng lạnh nhất vào tháng 12 Tổng số giờ nắng trong năm trung bình 2.000 - 2.300 giờ, rất phù hợp với phát triển các cây trồng nhiệt đới lâu năm

 Lượng mưa cả năm bình quân toàn vùng là 1.800 - 2.000 mm, tổng lượng nước đến

lãnh thổ Đăk Lăk 20,5 tỷ m3 [6], chuyển vào dòng chảy thuộc lưu vực sông Sêrêpok, sông Ba Tháng mưa nhiều nhất vào tháng 10, 11 ở trung tâm cao nguyên Đăk Lăk tới 1.900 - 2.100 mm; mưa ít nhất vào tháng 1, 2 Lượng nước mùa lũ chiếm từ 70 - 80% lượng nước cả năm, tháng lớn nhất chiếm từ 20 - 29%, tháng kiệt nhất chiếm từ 2 – 2,5%

 Độ ẩm không khí trung bình 83% Độ bốc hơi mùa khô 14,6 - 15,7 mm/ngày, mùa

mưa 1,5 - 1,7 mm/ngày Hướng gió thịnh hành mùa mưa là Tây Nam, mùa khô là

1.1.2.4 Thủy văn:

 Hệ thống sông suối: Đăk Lăk có hệ thống sông suối khá phong phú, mật độ sông suối:

0,8 km/km2, nếu tính các con suối có chiều dài từ 10 km thì trên lãnh thổ Đăk Lăk có tới 833 suối Những vùng có lượng mưa lớn mật độ sông suối dày, những vùng có lượng mưa nhỏ mật độ sông suối thưa như: Ea Súp, EaHleo: 0,2 km/km2

 Nước ngầm: Theo tài liệu nghiên cứu thăm dò, đánh giá nước dưới đất của Trung tâm

nghiên cứu môi trường địa chất thuộc trường Đại học Mỏ - Địa chất và Trung tâm Tư vấn Công nghệ môi trường thuộc Liên hiệp các hội khoa học kỹ thuật Việt Nam cho ta thấy: nước dưới đất có trữ lượng và chất lượng tốt thường tồn tại trong các khe nứt trong các đá phun trào Bazan Đặc biệt ở đây có hiện tượng mất nước (nước tầng trên chảy xuống tầng dưới) Trong các trầm tích bở rời Đệ tứ, trầm tích Neogen, trầm tích Jura có mức chứa nước từ nghèo đến trung bình, còn các tầng khác không đáng kể Chiều sâu nước thay đổi lớn, theo bề mặt địa hình và điều kiện thế nằm của tầng, chiều sâu mực nước biến đổi từ 4 - 57m ở Buôn Ma Thuột

1.2 Tình hình xây dựng công trình giao thông đường bộ

1.2.1 Hiện trạng giao thông khu vực

1.2.1.1 Mạng lưới giao thông đường bộ khu vực

Mạng lưới giao thông khu vực trung bộ và Tây Nguyên cũng như trong cả nước nói chung tương đối phát triển, bao gồm: Đường bộ, đường sắt, đường biển và đường hàng không, phân bố khá hợp lý tạo nên một hệ thống vận tải liên hoàn nhiều phương thức dọc theo suốt chiều dài đất nước

Quy mô và chất lượng các tuyến đường đang được dần dần cải thiện, các tuyến ở khu vực miền Trung và Tây Nguyên do hạn chế nguồn vốn đầu tư, địa hình nhiều đồi núi rộng lớn nên một số tuyến đường quy mô xây dựng còn thấp, chất lượng còn hạn chế, chưa đáp ứng được nhu cầu trong giai đoạn phát triển kinh tế hiện nay

Nhìn chung từ Thanh Hoá đến tỉnh cực nam Trung Bộ do địa hình dài chạy dọc theo biển Đông, từ biển đến biên giới phía Tây chiều rộng không lớn nên các trục đường bộ đều chạy dọc như quốc lộ 1A ở phía Đông, về phía Tây có các trục dọc gần song song với quốc lộ 1A gồm quốc lộ 21, quốc lộ 15, quốc lộ 14 và 14C, Nối giữa quốc lộ 1A ở phía Đông và các trục dọc về phía Tây (đường Hồ Chí Minh), có các quốc lộ như quốc lộ 49; quốc lộ 14B, 14D (nối cảng Đà Nẵng); quốc lộ 19 (nối cảng Quy Nhơn); quốc lộ 24 (nối cảng Dung Quất); quốc lộ 25, quốc lộ 26 (nối cảng Nha Trang), quốc lộ 27 (nối Tp.BMT với Tp.Đà Lạt) và quốc lộ 28

1.2.1.2 Các loại hình giao thông tỉnh Đắk Lắk

 Giao thông tỉnh Đắk Lắk hiện tại có hai loại: Đường bộ và đường hàng không Trong

đó giao thông đường bộ giữ vai trò chủ đạo phục vụ phát triển kinh tế xã hội của tỉnh; giao thông hàng không chủ yếu vận tải hành khách nội địa, nối với các trung tâm lớn trong nước như Tp Hồ Chí Minh, Hà Nội, Đà Nẵng, Vinh với tần suất bay còn hạn chế, máy bay khai thác chủ yếu loại nhỏ và trung bình

 Các loại hình giao thông khác như: đường sắt đang nghiên cứu đầu tư xây dựng tuyến Tp.Tuy Hòa - Tp Buôn Ma Thuột; đường thủy chủ yếu là tự phát phục vụ khai thác vật liệu (cát) và đi lại của người dân trong vùng vào mùa mưa lũ đường giao thông lầy lội

1.2.1.3 Mạng lưới đường bộ tỉnh ĐăkLăk:

Đường Quốc lộ (QL):

Toàn tỉnh có tổng số 4 tuyến đường quốc lộ (26, 27, 14 và 14C) với tổng chiều dài 397,5 km

Quy mô thiết kế gồm:

+ Cấp thiết kế từ cấp III - IV (miền núi), tốc độ thiết kế 60 - 40km/h, 2 làn xe; Bnền= 7,5  10m, Bmặt= 5,5  7,5m; mặt đường láng nhựa (A2), bê tông nhựa (A1) và hệ thống các

hạng mục công trình khác trên tuyến

+ Đương cấp V miền núi (20km/h) (TCVN 4050-85), Bnền= 6,5  7,5 m, mặt đường cấp phối đồi có tiêu chuẩn hình học tương Các công trình nhân tạo chưa có, chỉ sử dụng đường ngầm, cống tạm là chủ yếu, về mùa mưa xe đi lại khó khăn hoặc phải ngừng hoạt động Đường phục vụ chủ yếu cho việc đi lại giữa các đồn biên phòng

Đường tỉnh lộ (ĐT):

Toàn tỉnh có tổng số 14 tuyến đường tỉnh lộ với tổng chiều dài 640 km

Quy mô thiết kế gồm:

+ Cấp thiết kế IV (miền núi), tốc độ thiết kế 40km/h, 2 làn xe, Bnền= 7,5m, Bmặt= (3,5

 5,5)m; mặt đường láng nhựa (A2), bê tông nhựa (A1) và (cấp phối đồi, đường đất) (TCVN4054:05);

+ Cấp quản lý V, cấp kỹ thuật 20 (20km/h), 1 làn xe, Bnền= 6,5m, Bmặt= 3,5m; mặt đường láng nhựa và cấp phối đồi (TCVN4054:98);

Và hệ thống các hạng mục công trình khác trên tuyến

Đường huyện (ĐH):

Toàn tỉnh có tổng số 72 tuyến đường huyện với tổng chiều dài 955,8 km

+ Quy mô thiết kế: cấp thiết kế (tốc độ thiết kế, km/h): chủ yếu là đường cấp V (20) - rộng nền 6,5m, rộng mặt 3,5m và đường GTNTA (15) - rộng nền 6,5m, rộng mặt 3,5m;

+ Loại mặt đường: gồm đường nhựa (A1), láng nhựa (A2), cấp phối đồi (B2, đường nông thôn);

Và hệ thống các hạng mục công trình khác trên tuyến

Đường xã (ĐX):

Toàn tỉnh có tổng số 741 tuyến đường huyện với tổng chiều dài 2.392,5 km

Quy mô thiết kế gồm:

+ Cấp thiết kế V-VI (miền núi), tốc độ thiết kế (30-20)km/h, 1 làn xe, Bnền= (6-6,5)m,

Bmặt= 3,5m; mặt đường láng nhựa (A2) (TCVN4054:05);

+ Đường giao thông nông thôn loại A (22TCN 210:92); mặt đường chủ yếu là đường cấp phối đồi và đường đất, vào mùa mưa đi lại rất khó khăn nhất là ở những vùng dốc thoải

Và hệ thống các hạng mục công trình khác trên tuyến (chỉ ở các tuyến đã nâng cấp)

Đường đô thị:

Hiện tại đường đô thị thành phố Buôn Ma Thuột tổng chiều dài 180 km, trong đó có

110 km bằng bê tông nhựa, còn lại 70 km chưa trải nhựa

Các mạng đường khác:

+ Đường thôn, buôn hiện có 2.765 km chủ yếu là đường đất và cấp phối đồi

+ Đường chuyên dùng của các Nông, Lâm trường, tổng chiều dài là 527 km, chủ yếu

là đường đất

Bảng 1.1 - Tổng hợp hiện trạng đường GT tỉnh Đăk Lăk

TT Danh mục số (km) Tổng Cấp thiết kế

Loại mặt đường (km) BTN,XM Láng

Bảng 1.2 - Thống kê loại mặt đường tỉnh Đăk Lăk

1.2.1.4 Định hướng phát triển giao thông đường ô tô tỉnh ĐăkLăk đến 2020:

Trên cơ sở nghiên cứu tổng thể phát triển KTXH, đảm bảo an ninh quốc phòng, kết hợp với kết qủa dự báo lưu lượng xe (trung tâm tư vấn đầu tư phát triển GTVT-TDSI) đã nghiên cứu đưa ra quy hoạch mạng lưới giao thông đường bộ trên địa bàn tỉnh Đăk Lăk đến

2020 như sau:

Yêu cầu chung về quy hoạch

Những tuyến đường quy hoạch gồm cải tạo nâng cấp và xây dựng các tuyến mới, phải phải đáp ứng các yêu cầu sau:

+ Đáp ứng nhu cầu phát triển KTXH của tỉnh và kết nối với hệ thống giao thông trong khu vực nhằm phát triển KTXH của tỉnh và khu vực

+ Các tuyến Quốc lộ, Tỉnh lộ, Huyện lộ đảm bảo nối các trung tâm chính trị, kinh tế, văn hóa khoa học kỹ thuật của tỉnh và các tỉnh bạn, cụ thể các đường tỉnh phải đi qua các huyện ly, các đường huyện phải qua trung tâm các xã và các khu đông dân cư

+ Phù hợp với quy hoạch lâu dài, hài hòa với quy hoạch các ngành khác

+ Đảm bảo tuyến đường thông xe quanh năm, thời gian xe chạy từ các tỉnh lỵ đến các huyện lỵ ngắn nhất, nhanh nhất

Các tiêu chuẩn thiết kế

Áp dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành trong nước như: tiêu chuẩn thiết kế đường

ô tô TCVN 4054:05; tiêu chuẩn thiết kế giao thông nông thôn 22TCN 210:92; tiêu chuẩn thiết

kế đường cao tốc TCVN 5729:97; quy trình thiết kế áo đường mềm 22CTN 211:06 (2006) -

áo đường cứng 22CTN 223:95; tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272:05 và một số TCN liên quan khác

Thông số thiết kế cơ bản

Đắk Lăk có địa hình khá phức tạp, có sự xen kẽ giữa các địa hình thung lũng, cao nguyên xen giữa núi cao và núi cao trung bình Độ dốc ngang của sườn đồi, sườn núi >30% nên hệ thống đường ô tô trên địa bàn chủ yếu được thiết kế với các cấp từ cấp VI đến cấp III, tốc độ thiết kế tương ứng từ 20 km/h đến 60 km/h (vùng núi)

Các thông số kỹ thuật đề cập trong nghiên cứu, được tham khảo QH GTVT tỉnh ĐăkLăk đến 2020 và áp dụng giá trị tối thiểu (hạn chế) theo QT 22TCN 211:06 (thực tế sẽ tùy theo yêu cầu từng dự án) Các thông số kỹ thuật cơ bản của đường ô tô trên địa bàn như sau

Bảng 1.3 - Áp dụng tiêu chuẩn kỹ thuật trong các dự án đường bộ tại địa bàn

tỉnh Đăk Lăk

TT Cấp thiết

kế

Cấp thiết kế (km/h)

Mô đun đàn hồi tối thiểu (Eyc(min), MPa)

Loại tầng

Bảng 1.4 - Bảng tổng hợp khối lượng và quy mô mặt cắt các tuyến đường

trong địa bàn tỉnh

TT Các tuyến đường Dài QH

(km)

Cấp thiết kế

(miền núi)

Tốc độ thiết kế (km/h)

Rộng nền

1.2.2 Kết cấu áo đường sử dụng trên địa bàn tỉnh Đăk Lăk

Hệ thống đường giao thông trên địa bàn tỉnh Đăk Lăk có quy mô từ cấp VI đến cấp III (miền núi), tốc độ thiết kế từ 20  60 km/h; hệ thống đường thôn, buôn chủ yếu là đường đất

và cấp phối đồi

Việc thiết kế đường được tuân theo những nguyên tắc cơ bản sau:

- Nguyên tắc thiết kế tổng thể, đảm bảo cường độ và độ ổn định cường độ của cả kết cấu

nền áo đường trong suốt thời hạn thiết kế;

- Lựa chọn và bố trí các tầng, lớp vật liệu trong kết cấu áo đường sao cho phù hợp với

chức năng của mỗi tầng, lớp và bảo đảm cả kết cấu đáp ứng được những yêu cầu cơ bản về cường độ, độ ổn định cường độ, hạn chế tác dụng xấu của môi trường và đáp

ứng các yêu cầu về vận hành khai thác Đồng thời phù hợp với khả năng cung ứng vật liệu của địa phương, khả năng thi

Trong khi đó việc tận dụng các vật liệu kém chất lượng tại địa phương thông qua việc gia cố bằng chất kết dính vô cơ hoặc hữu cơ chưa được nghiên cứu áp dụng

Xuất phát từ những nguyên tắc cơ bản nêu trên, từ điều kiện thực tế của địa phương và theo quan điểm, kinh nghiệm thiết kế của kỹ sư, các loại kết cấu áo đường thường được áp dụng trên địa bàn tỉnh Đăk Lăk bao gồm:

Bảng 1.5 - Bảng một số loại kết cấu áo đường thường được áp dụng trong địa bàn tỉnh

E yc(min)(MPa)

Không quy định

(B2)

1.2.3 Trắc ngang điển hình đang được sử dụng rộng rãi tại địa phương

Đường ô tô ngoài đô thị trên địa bàn tỉnh ĐăkLăk thường được thiết kế với các dạng trắc ngang điển hình như sau:

a) Trắc ngang điển hình áp dụng chon kết cấu loại: KC-01, 02

Hình 1.1 - Trắc ngang mặt đường điển hình - loại KC-01,02 b) Trắc ngang điển hình áp dụng chon kết cấu loại: KC-03, 04, 05, 06, 07

Hình 1.2 - Trắc ngang mặt đường điển hình - loại KC-03, 04, 05, 06, 07

c) Trắc ngang điển hình áp dụng chon kết cấu loại: KC-02, 04, 07

Hình 1.3 - Trắc ngang mặt đường điển hình - loại KC-02, 04, 07 d) Trắc ngang điển hình áp dụng chon kết cấu loại: KC-08

Hình 1.4 - Trắc ngang mặt đường điển hình - loại KC-08

1.3 Các giải pháp gia cố đất và đặc điểm cơ bản

Các biện pháp cải tạo chất lượng của đất để đạt được những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định, đáp ứng được yêu cầu sử dụng trong công trình được gọi là sự ổn định đất hay sự gia cố đất

Đất xây dựng nói chung, là mọi đất đá, kể cả đất trồng và những vật chất phế thải của sản xuất và đời sống, vốn là một hệ nhiều thành phần, biến đổi theo thời gian, có thể được sử dụng làm nền, làm móng công trình, làm môi trường phân bố công trình, hoặc được sử dụng

để làm vật liệu xây dựng công trình Tùy thuộc vào chức năng của đất trong từng hạng mục công trình mà có nhiều phương pháp gia cố đất khác nhau như: phương pháp nén chặt; bổ sung thành phần hạt thô; thay đất yếu bằng cát; phương pháp bấc thấm; lưới vải địa kỹ thuật; phương pháp trụ vật liệu rời (cọc cát, giếng cát); cọc đất gia cố xi măng; bơm hút chân không hoặc gia cố đất bằng chất liên kết, Trong phạm vi đề tài - nghiên cứu sử dụng vật liệu đất bazan trong kết cấu áo đường ô tô, nên các phương pháp gia cố đất chủ yếu được xem xét như sau:

 Phương pháp cơ học: còn gọi là phương pháp nén chặt, là một trong những phương

pháp cải tạo tính chất xây dựng của đất hiệu quả và phổ biến Kết quả là nâng cao mô đun biến dạng và sức chống cắt của đất, làm giảm tính thấm nước, nâng cao tính ổn định, làm giảm chiều cao dâng mao dẫn khi tăng độ chặt của đất

 Phương pháp cỡ hạt: Dùng biện pháp thay đổi thành phần cỡ hạt để cải thiện chất

lượng đất, tác nhân là cấp phối

 Phương pháp hóa lý: Sử dùng chất kết dính như vô cơ (vôi, xi măng, tro xỉ ), hữu cơ

(nhũ tương bitum, nhựa lỏng), các chất keo trùng hợp cao phân tử (Keo anilin, Keo acrila CH2:CHCOOR, ), các loại muối (CaCl2, NaCl - để giữ cho thành

furfurrol-phần hạt keo trong đất luôn có độ ẩm tốt nhất, hoặc để tạo ra các sản phẩm muối mới không hòa tan) để gia cố đất

 Phương pháp điện hóa: Dùng dòng điện một chiều tac dụng lâu dài, hình thành nên

cấu trúc đông tụ bền vững trong đất, phù hợp với đất á cát, đất cát, đất sét

 Phương pháp nhiệt: Dùng năng lượng điện, hơi đốt, nhiên liệu lỏng, củi nhằm tạo nên

cấu trúc kết tinh bền vững trong đất, phương pháp phù hợp với đất á sét, đất sét không chứa cacbonat

 Phương pháp vi sinh học: Dùng các chủng vi sinh vật hoặc enzymes làm tăng khả

năng kết dính của đất loại sét

 Phương pháp tổng hợp: Sử dụng kết hợp các chất kết dính vô cơ và hữu cơ trong gia

cố đất

Các phương pháp trên được dùng hỗ trợ lẫn nhau, đặc biệt phương pháp cơ học có vai trò quan trọng trong mọi phương pháp Căn cứ vào đặc tính cơ lý của đất, khả năng cung cấp vật liệu và công nghệ thiết bị thi công để lựa chọn phương pháp gia cố đất hợp lý

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT LỰA CHỌN CHẤT LIÊN KẾT GIA CỐ ĐẤT BAZAN -

CÁC CHỈ TIÊU THÍ NGHIỆM VÀ LẬP KẾ HOẠCH

THỰC NGHIỆM GIA CỐ ĐẤT

2.1 Cơ sở lý thuyết lựa chọn chất gia cố đất bazan

2.1.1 Xi măng Portland

2.1.1.1 Giới thiệu chung

Xi măng portland (xi măng silicat) là chất kết dính vô cơ rắn trong nước và khi cứng rắn thì có thể bền nước, chứa khoảng 70÷80% Silicat canxi và 15% Aluminát canxi Nó là sản phẩm của quá trình nghiền mịn Clinke với phụ gia thạch cao - CaSO4.2H2O (3÷5%) Clinke ở dạng hạt được sản xuất bằng cách nung cho đến kết khối (ở 1450oC÷1550oC) hỗn hợp chứa CaCO3 (đá vôi) và Alumosilicat (đất sét, đá macna, xỉ lò cao, v.v ) Thạch cao có tác dụng điều chỉnh thời gian ninh kết của xi măng Ngoài ra trong nguyên liệu xi măng còn chứa Oxit khác như Fe2O3 Khi nhào trộn xi măng với nước tạo thành một hỗn hợp vữa nhão được gọi là

hồ xi măng

Khi nghiền để điều chỉnh tính chất và giá thành có thể cho thêm các loại phụ gia hỗn hợp, phụ gia hoạt tính và phụ gia trơ Thành phần phụ gia được quyết định bởi nhu cầu của sản phẩm xi măng

Xi măng portland là chất kết dính vô cơ truyền thống, chủ yếu sử dụng trong xây dựng dân dụng, giao thông và các công trình xây dựng khác Sản lượng xi măng ở Việt Nam tính đến năm 2005 khoảng 25 triệu tấn, đến năm 2010 khoảng 30 triệu tấn

Các nhà máy xi măng chính là Nghi Sơn, Hoàng Mai, Hoàng Thạch, Hải Phòng, Bỉm Sơn, Hà Tiên và một số nhà máy xi măng của nước ngoài tại Việt Nam Công nghệ chính theo phương pháp ướt và phương pháp khô

2.1.1.2 Clinke sản xuất Xi măng Portland

Clinke thường ở dạng hạt có đường kính từ 10÷40mm, cấu trúc gồm nhiều khoáng ở dạng tinh thể và một số khoáng ở dạng vô định hình Chất lượng của clinke phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, hoá học và công nghệ sản xuất

 Thành phần hoá học của Clinke:

Bảng 2-1 Thành phần hoá học của Clinke

TT Thành phần hoá học Đơn vị Hàm lượng

Ghi chú: các oxit khác: MgO; SO 3 ; K 2 O; Na 2 O; TiO; Cr 2 O; P 2 O 5

chiếm một tỷ lệ rất nhỏ, nhưng đều có hại đến chất lượng của xi

măng

Thành phần hoá học của Clinke thay đổi thì tính chất của xi măng cũng thay đổi CaO làm cho xi măng rắn nhanh, nếu lượng CaO vừa đủ thì xi măng có cường độ cao Nếu lượng CaO quá lớn sẽ khó khăn trong quá trình nung luyện, đòi hỏi phải có nhiệt độ cao, đồng thời

sẽ có nhiều CaO tự do làm cho bê tông xi măng portland dễ bị ăn mòn, còn nếu tăng SiO2 sẽ kéo dài thời gian đông cứng của xi măng Trong quá trình nung đến nhiệt độ kết khối, các oxit chủ yếu kết hợp lại tạo thành các silicat, aluminat và alumoferit canxi ở dạng các khoáng có cấu trúc tinh thể, một số ít chuyển sang dạng vô định hình

Có thể dùng các hệ số sau đây để đánh giá chất lượng xi măng:

a) Hệ số Silicát:

(%)(%)

(%)

3 2 3

2

2

O Fe O

Al

SiO M

3 2

O Fe

O Al

c) Hệ số bão hoà:

(%)8

,2

)(%)75

,035

,065

,1((%)

2

3 3

2 3

2

SiO

SO O

Fe O

Al CaO

d) Phương trình cân bằng: CaO = 2,8SiO 2 +1,18Al 2 O 3 +0,65Fe 2 O 3

Hệ số Silicát M càng lớn, lượng SiO2 càng nhiều, xi măng sẽ ninh kết và rắn kết chậm, cường độ phát triển chậm và xi măng bền trong nước Nếu M quá thấp chúng sẽ đóng thành tảng khó nung Hệ số P càng thấp thì lượng Al2O3 càng nhiều, xi măng ninh kết và rắn kết nhanh Hệ số Kbh càng lớn, cường độ xi măng càng cao nhưng khó nung và sinh ra nhiều CaO tự do làm cho xi măng kém ổn định và dễ bị ăn mòn trong môi trường nước xâm thực

 Thành phần khoáng vật của Clinke:

Thành phần khoáng vật của Clinke có 4 loại khoáng vật chính:

Bảng 2-2 Thành phần khoáng vật của Clinke

TT Khoáng vật chính Đơn vị Hàm lượng

4 Feroaluminat têtracanxit (C4AF) % 10 ÷ 18

Alít - C 3 S ( 3CaO.SiO 2 ): là dung dịch rắn của silicat tricanxit và một lượng

không lớn (2 ÷ 4%) các Oxit MgO; Al2O3; P2O5; Cr2O3 và các tạp chất khác Các tạp chất này có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của alit Alit có thể kết tinh ở 6 dạng hình khác nhau Trong clinke, tinh thể alit thường có hình 6 cạnh hoặc hình chữ nhật với kích thước 3÷20µk

C3S là khoáng quan trọng nhất của clinke, nó quyết định cường độ, tốc độ rắn kết nhanh và các tính chất khác của xi măng

Bêlít - C 2 S ( 2CaO.SiO 2 ): là khoáng silicat làm cho xi măng phát triển cường

độ dài ngày, nó rắn kết chậm nhưng đạt cường độ cao ở tuổi muộn và làm cho xi măng có tính bền nước cao Trong khoảng từ nhiệt độ thường đến nhiệt độ 1500oC Belit có cấu trúc dạng hạt đặc tròn, kích thước 20 ÷ 50 µk

Hàm lượng khoáng vật Silicat chiếm chủ yếu trong Clinke, tổng hàm lượng silicat (C 3 S + C 2 S) trong clinke khoảng 70 ÷ 80% và 25% là các khoáng còn lại (C 3 A + C 4 AF)

Aluminat tricanxit - C 3 A ( 3CaO.Al 2 O 3 ): chiếm khoảng 4 ÷ 12% ở nhiệt độ

nung thích hợp, tinh thể có dạng hình lập phương kích thước 10x15µk, khối lượng riêng 3,04 g/cm3, tốc độ thuỷ hóa và rắn kết rất nhanh, nhưng cường độ không lớn Nó rất dễ

bị ăn mòn sunfat, nên trong xi măng bền sunfat phải khống chế hàm lượng C3A (nhỏ hơn 5%)

Cấu trúc của C 4 AF Cấu trúc của C 3 A

Cấu trúc khoáng C 3 S với kích thước 10µm Cấu trúc khoáng C 2 S , entregit và C 3 A

Hình 2.1 Cấu trúc khoáng vật trong xi măng Feroaluminat têtracanxit - C 4 AF (4CaO.Al 2 O 3 Fe 2 O 3 ): chiếm khoảng 10 ÷

12%, có khối lượng riêng lớn nhất trong các khoáng vật clinke (3,77 g/cm3) Nó là dung dịch rắn của Feroaluminat canxi có thành phần khác nhau Trong clinke của xi măng Portland dung dịch rắn này thường rất gần với C4AF, C4AF có tốc độ rắn kết trung gian giữa Alit và Belit, vì vậy không có ảnh hưởng lớn đến tốc độ rắn kết và sự toả nhiệt của xi măng Portland

Các chất oxit clinke (thuỷ tinh clinke): chiếm khoảng 5 ÷ 15%, bao gồm chủ

yếu là CaO; Al2O3; Fe2O3; MgO; K2O; Na2O:

+ Oxit magie (MgO) là thành phần của pha feroaluminat và thuỷ tinh clinke, đồng thời

tồn tại ở dạng tinh thể tự do, thuỷ hoá rất chậm Sự thuỷ hoá MgO kéo dài rất lâu (đến vài năm) và khi chuyển thành Mg(OH)2 thì làm tăng thể tích của pha rắn Cho nên nếu hàm lượng của MgO > 5% sẽ gây mất tính ổn định thể tích của xi măng

+ Oxit canxi tự do (CaO) ở dạng hạt, thường có trong clinke mới nung xong Quy

định hàm lượng của nó không được vượt quá 1%, vì nó gây ra tính không ổn định thể tích của

xi măng

+ Kiềm (Na2O; K2O) có trong pha feroaluminat của clinke cũng như ở dạng sunfat để tránh gây ra nứt nẻ kết cấu, hàm lượng của chúng phải rất hạn chế khi dùng với cốt liệu (cát; đá) có chứa oxit vô định hình

Căn cứ vào thành phần khoáng trong clinke có thể phân loại xi măng Portland như sau:

Bảng 2-3 Thành phần khoáng vật của các loại xi măng Việt Nam

2.1.1.3 Tính chất của xi măng Portland

 Thành phần khoáng hóa của xi măng Portland:

Thành phần khoáng hóa của xi măng Portland bao gồm các oxit sau:

Bảng 2-4 Thành phần hoá học của xi măng Portland

TT Thành phần hoá học Đơn vị Hàm lượng

CaO là thành phần chủ yếu của xi măng Portland nếu lượng CaO vừa đủ làm

cho xi măng có cường độ cao, nhưng khi tăng lượng CaO sẽ làm cho xi măng rắn nhanh và kém bền nước

SiO 2 cũng là thành phần chủ yếu của xi măng Portland Hàm lượng SiO2nhiều sẽ kéo dài thời gian đông cứng của xi măng

Al 2 O 3 có tác dụng làm nhanh thời gian đông cứng của xi măng Nếu Al2O3 quá nhiều sẽ làm cho xi măng đông cứng rất nhanh và xi măng kém ổn định

Fe 2 O 3 có tác dụng như một chất xúc tác, nhờ nó sẽ giảm được thời gian và nhiệt độ nung Nếu lượng Fe2O3 ít nhiệt độ nung phải cao hơn

Các oxit MgO, SO 3 là thành phần có hại cho xi măng, nhưng không loại bỏ được hoàn toàn

 Quá trình rắn kết của xi măng Portland:

Lý thuyết rắn kết của xi măng portland được phát triển trên cơ sở những công trình của Lơ Satơliơ (Le Chatelier), Mikhaơlix, Baykov, Rebinder Xi măng sau khi nhào trộn với nước trải qua quá trình biến đổi hóa lý rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần

hóa học của xi măng, tỷ lệ nước, độ mìn của xi măng, nhiệt độ môi trường Quá trình rắn kết xẩy ra 3 giai đoạn:

Giai đoạn hòa tan: xẩy ra các phản ứng giữa nước với các thành phần khoáng hóa trong xi măng tạo thành các chất mới hòa tan, nồng độ tăng dần đến mức bảo hòa

Giai đoạn ngưng keo: các chất mới tạo thành có nồng độ bảo hòa do bị mất nước nên ngưng tụ lại ở dạng keo, làm cho hồ xi măng mất dần tính dẻo và bắt đầu ninh kết

Giai đoạn kết tinh: được đặc trưng bằng sự tăng nhanh cường độ

Trong quá trình rắn kết của xi măng, do ảnh hưởng của môi trường, một phần lượng nước cần thiết cho quá trình thủy phân và thủy hóa của xi măng bị bay hơi Cho nên cần phải tưới ẩm (tưới bảo dưỡng) để bù lượng bị bay hơi

 Phản ứng thuỷ hóa:

Phản ứng thuỷ hoá tổng quất là: CS + H = CHS + CH

CHS ÷ là các khoáng silicat ngậm nước và bền nước

CH ÷ là các hy đroxit không tan trong nước

Ở giai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng nhanh của C3S với nước tạo ra hyđrosilicat canxi và hyđroxit canxi

2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

Vì đã có hyđroxit canxi tách ra từ C3S nên C2S thuỷ hóa chậm hơn C3S và tách ra ít Ca(OH)2 hơn:

2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.2H2O + Ca(OH)2

Hyđrosilicat canxi hình thành khi thuỷ hoá hoàn toàn đơn khoáng silicat tricanxi ở trạng thái cân bằng với dung dịch bão hoà hyđroxit canxi Tỷ lệ CaO/SiO2 trong các hyđrosilicat trong hồ xi măng có thể thay đổi phụ thuộc vào thành phần vật liệu, điều kiện rắn kết và các yếu tố khác Pha chứa alumo chủ yếu trong xi măng là aluminat tricanxi (3CaO.Al2O3) pha hoạt động nhất Ngay sau khi trộn với nước trên bề mặt các hạt xi măng đã

có lớp sản phẩm xốp, không bền, có tinh thể dạng tấm mỏng lục giác của 4CaO.Al2O3.9H2O

và 2CaO.Al2O3.8H2O Cấu trúc dạng tơi xốp này làm giảm độ bền nước của xi măng Dạng

ổn định, sản phẩm phản ứng nhanh với nước của nó là hyđro÷ aluminat 6 nước có tinh thể hình lập phương (3CaO.Al2O3.6H2O) :

3CaO.Al2O3 + 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O

Để làm chậm quá trình đông kết khi nghiền clinke cần cho thêm một lượng đá thạch cao (3 ÷ 5% so với khối lượng xi măng) Sunfat canxi đóng vai trò là chất hoạt động hoá học của xi măng, tác dụng với aluminat tricanxi ngay từ đầu để tạo thành sunphoaluminat canxi ngậm nước (khoáng etringit):

3CaO.Al2O3+3(CaSO4.2H2O)+ 26H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

Trong dung dịch bão hoà Ca(OH)2 ngay từ đầu etringit sẽ tách ra ở dạng keo phân tán mịn đọng lại trên bề mặt 3CaO.Al O làm chậm sự thuỷ hoá của nó và kéo dài thời gian ninh

kết của xi măng Sự kết tinh của Ca(OH)2 từ dung dịch quá bão hoà sẽ làm giảm nồng độ hyđroxit can xi trong dung dịch và etringit chuyển sang tinh thể dạng sợi, tạo ra cường độ ban đầu cho xi măng Etringit có thể lớn gấp 2 lần so với thể tích các chất tham gia phản ứng,

có tác dụng chèn lấp các lỗ rỗng của đá xi măng, làm cường độ và độ ổn định của đá xi măng tăng lên, Cấu trúc của đá xi măng cũng sẽ tốt hơn do hạn chế được những chỗ yếu của hyđroaluminat canxi Sau đó etringit còn tác dụng với 3CaO.Al2O3 còn lại tác dụng với thạch cao để tạo thành muối kép một sunfat :

2(3CaO.Al2O3)+3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O+22H2O=3(3CaO.Al2O3.CaSO4.18H2O) Feroaluminat tetracanxi tác dụng với nước tạo ra hyđroaluminat và hyđroferit canxi :

4CaO.Al2O3.Fe2O3+mH2O = 3CaO.Al2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.nH2O

Hyđroferit sẽ nằm lại trong thành phần của gen xi măng, còn

hyđroaluminat sẽ lại tác dụng với thạch cao như phản ứng trên

 Sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng:

Sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng và cường độ xảy ra như sau : những phân tố cấu trúc đầu hình thành sau khi nhào trộn ximămg với nước là etringit, hyđroxit canxi và các sợi gen CSH Etringit dạng lăng trụ lục giác được tạo thành sau 2 phút, còn mầm tinh thể Ca(OH)2 xuất hiện sau vài giờ Phần gen của hyđrosilicat canxi đầu tiên ở dạng hình kim, sau

đó tiếp tục phát triển, phân nhánh trở thành dạng “bó” Những lớp gen mỏng tạo thành xen giữa các tinh thể Ca(OH)2 làm đặc chắc hơn hồ xi măng

Hình 4÷1 giới thiệu sự phát triển cấu trúc của hồ xi măng theo thời gian

Cấu trúc ban đầu là khung không gian kém bền, tạo ra từ các hạt phân tán của sản phẩm thuỷ hoá liên kết với nhau bằng lực Vanđecvan và màng nưóc hấp phụ của các hạt đó đến cuối giai đoạn ninh kết cấu trúc cơ bản của hồ xi măng được hình thành làm cho nó biến đổi thành đá xi măng

Hình 2.2 - Quá trình thủy hóa xi măng và sự phát triển cấu trúc hồ trúc

1 Ca(OH)2; 2 Etringit; 3 Hydrosilicat Canxi dài; 3b Hydrosilicat Canxi sợi ngắn; 4 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O; 5 CaO.Al2O3.CaSO4.13H2O; 6 đường cong thay đổi thể tích lỗ rỗng;

I Cấu trúc không bền; II Hình thành cấu trúc cơ bản; III Ngưng tụ cấu trúc để thành cấu trúc bền

Mức độ thuỷ hoá các khoáng vật của xi măng được tính bằng % so với sự thuỷ hoá hoàn toàn được giới thiệu ở bảng 2.4

Bảng 2.5 Mức độ thuỷ hoá của các khoáng vật

3 ngày 7 ngày 28 ngày 3 tháng 6 tháng

C3S ÷ 0,24; C2S ÷ 0,21; C3A ÷ 0,4; C4AF ÷ 0,37 Lượng nước hydrat hoá của các khoáng là C3S ÷ 0,130; C2S ÷ 0,035; C3A ÷ 0,043; C4AF ÷ 0,034 Tổng cộng Wn = 0,241 Theo H Rusch để hydrat hoá hoàn toàn một lượng xi măng thì cần lượng nước tương đương với 25% lượng xi măng

 Sự ăn mòn của đá xi măng:

Đá xi măng bị ăn mòn chủ yếu là do sự tác dụng của các chất khí và chất lỏng lên các

bộ phận cấu thành xi măng đã rắn kết (chủ yếu là Ca(OH)2 và 3CaO.Al2O3.6H2O).Trong thực

tế có tới hàng chục chất gây ra ăn mòn đá xi măng Mặc dù các chất gây ăn mòn rất đa dạng, nhưng có thể phân ra 3 nguyên nhân cơ bản sau đây: (1) Sự phân rã các thành phần của đá xi măng, sự hoà tan và rửa trôi hyđroxit canxi; (2) Tạo thành các muối dễ tan do hyđroxit canxi

và những thành phần khác của đá xi măng tác dụng với các chất xâm thực và sự rửa trôi các muối đó (ăn mòn axit, ăn mòn manhêzit); (3) Sự hình thành những liên kết mới trong các lỗ rỗng có thể tích của các chất tham gia phản ứng, tạo ra ứng suất gây nứt bêtông (ăn mòn sunphoaluminat)

Ăn mòn hoà tan do sự tan của Ca(OH)2 xảy ra mạnh dưới sự tác dụng của nước mềm (chứa ít các chất tan) như nước ngưng tụ , nước mưa, nước sông, nước đầm lầy Sau 3 tháng rắn kết hàm lượng Ca(OH)2 vào khoảng 10 ÷ 15% (tính theo CaO) Nếu sau khi hoà tan và rửa trôi mà nồng độ Ca(OH)2 giảm xuống thấp hơn 0,11% thì CSH và C3AH6 cũng bị phân huỷ Khi Ca(OH)2 bị hoà tan 15 ÷ 30% thì cường độ của đá xi măng giảm đến

40 ÷ 50%

Hiện tượng carbonate hoá:

Cơ chế carbonate hoá:

Bình thường, với đá xi măng có độ rắn kết tốt, không bị carbonate hoá, độ pH của dung dịch chiết đá xi măng có giá trị vào khoảng 12,0 ÷13,0 Khi khí CO2 có trong không khí thâm nhập vào đá xi măng qua các vết nứt hoặc chiều dày lớp bê tông bảo vệ có độ chặt kém,

nó sẽ kết hợp với Ca(OH)2 có trong thành phần bê tông, tạo ra vùng có nồng độ pH thấp Theo thời gian, vùng có nồng độ pH thấp càng phát triển trong bê tông Cơ chế trên được mô

tả bởi các phản ứng như sau :

xKc t

Trong đó :

x: chiều sâu thấm nhập carbonate hoá (mm)

Kc : hệ số carbonate hoá (mm/(năm)0,5) t : Thời gian (năm)

Hệ số carbonate hoá có thể dùng đánh giá chất lượng bêtông :

Nếu Kc < 3mm/(năm)0,5 thì chất lượng bêtông được coi là tốt

Nếu Kc > 6mm/(năm)0,5 thì chất lượng bêtông được coi là kém

Ăn mòn axit xảy ra trong dung dịch axit (pH< 7) Axit tự do thường có trong

nước thải công nghiệp và cũng có thể tạo thành từ khí có chứa lưu huỳnh trong các buồng đốt Trong không gian của các xí nghiệp công nghiệp, ngoài SO2 còn có thể có các anhyđrit của các axit khác, còn có Clo và các hợp chất chứa Clo Khi chúng ta hoà tan vào nước bám trên

bề mặt các kết cấu bêtông cốt thép sẽ tạo nên các axit, ví dụ như HCl, H2SO4 Axit tác dụng với Ca(OH)2 trong đá xi măng sẽ tạo ra những muối tan (CaCl2), muối tăng thể tích (CaSO4.2H2O)

HCl + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2H2O

H2SO4 + Ca(OH)2 = CaSO4.2H2O

Ngoài ra , axit có thể phá huỷ cả silicat canxi

Ăn mòn magie gây ra do các loại muối chứa manhê trong nước biển, nước

ngầm, nước chứa muối khoáng tác dụng với Ca(OH)2 tạo ra các sản phẩm dễ tan(CaCl2, CaSO4.2H2O) hoặc không có khả năng dính kết (Mg(OH)2):

MgCl2 + Ca(OH)2 = CaCl2 + Mg(OH)2

MgSO4 + Ca(OH)2 = CaSO4.2H2O + Mg(OH)2

Ăn mòn phân khoáng do nitrat amôn :

2NH4NO3 + Ca(OH)2 + 2H2O = Ca(NO3)2.4H2O + 2NH3

Nitrat canxi tan rất tốt trong nước nên dễ bị rửa trôi Phân kali gây ra ăn mòn đá xi măng là do làm tăng độ hoà tan của Ca(OH)2 Supephotphat là chất xâm thực mạnh do trong thành phần của nó có chứa Ca(H2PO4)2, thạch cao và cả axit photphoric

Ăn mòn sunphat xảy ra khi hàm lượng sunphat lớn hơn 250 mg/l (tính theo

SO42 - ):

3CaO.Al2O3.6H2O + 3CaSO4 + 25H2O = CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O

Sự hình thành trong các lỗ rỗng đá xi măng sản phẩm ít tan entrigit với thể tích lớn hơn 2 lần sẽ gây áp lực tách lớp bêtông bảo vệ làm cốt thép bị ăn mòn Ăn mòn sunphat luôn xảy ra đối với những công trình ven biển, công trình tiếp xúc với nước thải công nghiệp và nước ngầm Nếu trong nước có chứa Na2SO4 thì đầu tiên nó tác dụng với vôi sau đó mới tác dụng với entringit :

Na2SO4 + Ca(OH)2  CaSO4 + 2NaOH

Ăn mòn của các chất hữu cơ Các loại a xit hữu cơ cũng gây phá huỷ các

công trình bêtông xi măng Các axit béo (olein, stealin, panmitin) khi tác dụng với vôi gây ra rửa trôi Dầu mỏ và các sản phẩm của nó (xăng, dầu hoả, dầu mazut) sẽ không có hại cho bêtông ximăng nếu chúng không chứa các loại axit hữu cơ và các chất chứa lưu huỳnh

Ăn mòn do kiềm - phản ứng kiềm cốt liệu: Các chất kiềm (Na, K) trong đá xi

măng gây ra phản ứng kiềm cốt liệu ngay trong lòng khối bêtông giữa các cấu tử với nhau Bản thân clinke luôn chứa một lượng các chất kiềm Trong khi đó trong cốt liệu bêtông , đặc biệt là trong cát, lại hay gặp hợp chất silc vô định hình (opan, chanxeđôn, thuỷ tinh núi lửa) Chúng có thể tác dụng với kiềm của đá xi măng ở ngay nhiệt độ thường làm cho bề mặt hạt cốt liệu nở ra tạo ra một hệ thống các vết nứt, bạc màu Sự phá hoại này có thể xảy ra sau khi kết thúc xây dựng 10 ÷ 15 năm

Để bảo vệ đá xi măng khỏi bị ăn mòn có hiệu quả phải tuỳ trường hợp cụ thể mà áp dụng những biện pháp thích hợp sau đây :

1) Giảm các thành phần khoáng gây ăn mòn (CaO tự do, C3A, C3S) bằng cách lựa chọn thành phần nguyên liệu và áp dụng các biện pháp gia công nhiệt phù hợp

2) Giảm thành phần gây ăn mòn lớn nhất [Ca(OH)2] bằng cách tiến hành cacbonat hoá (cho tác dụng với CO2 để tạo thành CaCO3) hay silicat hoá (cho tác dụng với SiO2 vô định hình) trên bề mặt sản phẩm;

 Thời gian đông kết, cường độ và mác của xi măng portland:

Thời gian đông kết: của xi măng được xác định từ hồ dẻo tiêu chuẩn bằng

dụng cụ vica (đường kính 1,1mm) Thời gian bắt đầu đông kết là khoảng thời gian từ khi bắt đầu nhào trộn với nước đến khi kim vica cắm sâu 38 ÷ 39mm Thời gian đông kết xong hay bắt đầu rắn kết là khoảng thời gian từ khi bắt đầu nhào trộn xi măng với nước đến khi kim vica cắm sâu 1 ÷ 2 mm Khi xi măng bắt đầu đông kết nó mất tính dẻo, do đó khoảng thời

này không nhỏ hơn 45 phút Còn thời gian đông kết xong là lúc xi măng đạt được cường độ nhất định Thời gian này phải đủ ngắn để có thể thi công nhanh (yêu cầu không vượt quá 10 giờ) để tạo ra thời gian đông kết bình thường khi nghiền clinke thường người ta cho thêm 3 ÷ 5% thạch cao sống CaSO4.2H2O Các chất photphat, nitrat canxi, natri và nhôm, đường cũng

là những chất làm chậm đông kết đường tác dụng với Ca(OH)2 tạo ra chất xaccarat canxi dễ tan Sự hiện diện của chất này sẽ làm tăng cường độ của ion canxi, ức chế quá trình phân huỷ của C3S, quá trình đông kết bị chậm lại Hàm lượng đường lớn làm cho bêtông đôi khi không rắn kết được

Các cacbonat và clorua kim loại kiềm là những chất làm tăng nhanh đông kết Khi chúng tác dụng với Ca(OH)2 (tách ra từ C3S) tạo ra các liên kết khó tan:

Ca(OH)2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaOH

Cacbonat canxi là chất ít tan, Ca(OH)2 bị tách ra làm cho quá trình thuỷ phân C3S được tăng cường Clorua canxi cũng có tác dụng làm tăng nhanh quá trình đông kết và rắn kết của xi măng Một trong những phương pháp khác làm tăng nhanh quá trình đông kết và rắn kết là sử dụng mầm tinh thể

Cường độ và mác của xi măng: Theo TCVN 2682÷99, mác của xi măng được xác

định theo cường độ chịu uốn và chịu nén của mẫu vữa xi măng kích thước (4 x 4 x 16) cm chế tạo từ hỗn hợp xi măng trên cát tiêu chuẩn là 1 : 3 và tỷ lệ nước xi măng là 0,5 dưỡng hộ 28 ngày trong điều kiện tiêu chuẩn (TCVN 6017-95) Giá trị giới hạn bền uốn được xác định bằng thí nghiệm uốn ở 1/2 chiều dài mẫu thử và được tính theo công thức sau (xem hình 2.3)

2

*2

*3

h b

L P

Hình 2.3 - Sơ đồ thí nghiệm uốn mẫu xi măng

Giới hạn bền nén được xác định bằng cách nén phá hoại trên các đoạn dầm bị gãy với diện tích chịu nén là (40 x 40) mm (Giá trị trung bình cộng của 4 giá trị lớn nhất trong 6 mẫu thử) Quy định về mác xi măng Poocland theo tiêu chuẩn Việt Nam được ghi ở bảng 2.4 Giới hạn cường độ khi nén sau 28 ngày thì gọi là độ hoạt tính của xi măng Cường độ chịu

nén của xi măng biến đổi từ 30÷60MPa Cường độ chịu kéo khi uốn từ 4,5÷6,5MPa ( 1/7÷1/9 cường độ chịu nén)

Bảng 2.6 Chỉ tiêu kỹ thuật xi măng

TT Các chỉ tiêu theo TCVN 2682:1999 Quy định đối với xi măng mác

2 Thời gian đông kết (phút):

- Bắt đầu không sớm hơn

- Lượng sót trên sàng 0.08mm, %, không lớn hơn

- Tỷ diện tích bề mặt, cm2/g, không nhỏ hơn

5 Hàm lượng anhđrit sunfuric (SO3), không lớn hơn, % 3,5 3,5 3,5

PC là ký hiệu quy ước cho xi măng poocland Các trị số 30, 40, 50 là cường độ chịu nén của mẫu tiêu chuẩn tuổi 28 ngày tính bằng N/mm2(MPa)

Hiện nay ở Việt Nam thường sử dụng xi măng poocland hỗn hợp, được quy định mác: PCB30, PCB40, PCB50 Hàm lượng phụ gia khoáng trong xi măng hỗn hợp được xác định theo TCXDVN 308:2003

2.1.1.4 Các yếu tố chính quyết định hiệu quả của phương pháp xi măng gia cố đất đá [6]

d60 - đường kính hạt, nhỏ hơn nó trong đất chiếm 60%;

d10 - đường kính hạt, nhỏ hơn nó trong đất chiếm 10% (d10 - đường kính hạt hữu hiệu);

Các nhà khoa học V.M.Bezruk và A.S.Elenovitr (1969) đã phân ra 4 nhóm đất đá theo mức độ thuận lợi cho việc gia cố xi măng như sau

Bảng 2.7 Các nhóm đất đá theo mức độ thuận lợi cho gia cố xi măng

I Thuận lợi nhất Cát - sỏi sạn; đá dăm - cát hay cát - sét có thành phần tối ưu;

II Thuận lợi Cát có thành phần cấp phối hạt khác nhau, cát pha và sét pha

có Ip ≤ 17;

III Ít thuận lợi Sét pha và sét bụi;

IV Không thuận lợi Sét có IP > 27

 Thành phần khoáng vật:

Các nhà khoa học Nga T.G.Samôilov (1949 - 1950), V.M.Bezruk và T.IU.Liubimova (1956 - 1959) đã phân ra 4 nhóm sau:

Bảng 2.7 Các nhóm thành phần khoáng vật theo mức độ thuận lợi gia cố xi măng

I Thuận lợi nhất Sét Kaolinit, Thạch anh hàm lượng sét không lớn

hơn 10 ÷ 15%;

II Thuận lợi Chủ yếu là Kaolinit có thêm Canxit và

Hyđrômica (Illit) với hàm lượng không lớn; Đất đỏ bazan

III Ít thuận lợi Sét Montmorilonit và Hyđrômica chiếm ưu thế

 Thành phần và hàm lượng các muối dễ hòa tan:

Các nhà khoa học Nga T.G.Samôilov, V.M.Bezruk, đã chỉ ra rằng:

- Các muối clorua (NaCl, CaCl2, MgCl2) trong đất chiếm hàm lượng < 5% thường có ảnh hưởng tốt; 5 ÷ 10% sẽ làm giảm một ít độ bền đất ÷ xi măng nhưng vẫn đảm bảo về

độ bền Do vậy, xi măng hóa đất có hàm lượng các muối clorua đến 8% vẫn chấp nhận được

- Muối cabonat Natri (Na2CO3) = 0,5 ÷ 1% không gây ảnh hưởng xấu đến xi măng hóa đất

- Muối sunfatnatri (Na2SO4) < 1% sẽ làm tăng nhanh các quá trình hyđrat hóa xi măng (hút nước) Khi (Na2SO4) > 1 ÷ 3% xuất hiện tính chất xấu của nó nhưng độ bền đất - xi măng vẫn đủ cao, như vậy xi măng hóa đất trong các điều kiện này hoàn toàn được Khi (Na2SO4) > 3% thì việc xi măng hóa đất không có hiệu quả

- Các muối Cacbonat (CO3) với bất kỳ hàm lượng nào cũng đều có ảnh hưởng tốt đến

xi măng hóa đất Sự có mặt của muối Cacbonat trong đất sẽ làm giảm đáng kể tác dụng xấu của các muối hòa tan, đặc biệt là Na2SO4

- Khoáng thạch cao (CaSO4.2H2O) < 5% có ảnh hưởng tốt đến xi măng hóa đất, nếu (CaSO4.2H2O) > 5% sẽ xuất hiện tính xấu do sự tăng thể tích của chúng khi hyđrat hóa Thật vậy, bất kể trường hợp nào, việc xi măng hóa đất sét chứa muối, thì các muối dễ hòa tan

sẽ loại bỏ được tính thấm nước của đất - xi măng

 Ảnh hưởng của trị số pH môi trường:

Nhiều nghiên cứu cho thấy, trị số pH < 7 luôn có ảnh hưởng xấu đến sự ngưng kết và hóa cứng của đất - xi măng Đất Cacbonat có pH > 7, sẽ làm tăng nhanh quá trình thành tạo các liên kết kiến trúc thuận nghịch ổn định, tạo lực dính và tạo kiến trúc trong hổn hợp đất - xi măng

V.M.Bezruk (1971) sau khi nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trị số pH < 12,1 có ảnh hưởng xấu đến quá trình hóa cứng bình thường của đất - xi măng và đã xác định được mối quan hệ giữa

độ bền của đất - xi măng với trị số pH gần như tuyến tính (hình 2.1)

Hình 2.4 - Ảnh hưởng của pH đến độ bền của đất - xi măng 2.1.2 Nhũ tương nhựa đường

2.1.2.1 Giới thiệu chung về nhũ tương nhựa đường

Nhũ tương là một hệ thống keo phức tạp bao gồm hai chất lỏng không hoà tan lẫn nhau Trong đó, một chất lỏng phân tán trong chất lỏng kia dưới dạng những giọt nhỏ li ti gọi là pha phân tán, còn chất lỏng kia gọi là môi trường phân tán; có nhủ tương bitum (và nhủ tương guđrông)

Để cho nhũ tương được ổn định, người thêm vào chất nhũ hóa - là chất phụ gia hoạt tính bề mặt Chất nhũ hóa sẽ hấp phụ trên bề mặt các giọt bitum hay guđrông, làm giảm sức căng bề mặt ở mặt phân chia của bitum hay guđrông với nước Đồng thời nó tạo

ra trên bề mặt các giọt bitum một màng mỏng kết cấu bền vững, có tác dụng ngăn cản sự kết tụ của chúng, làm cho nhũ tương ổn định

2.1.2.2 Vật liệu chế tạo nhũ tương

 Chất kết dính:

Nhũ tương có thể c h ế t ạ o t ừ các chất kết dính hữu cơ như bitum dầu mỏ loại đặc, loại lỏng (và guđrông than đá) Khi dùng chất nhũ hóa dạng bột (bột vôi tôi, đất sét) thì có thể dùng các loại bitum mác thấp (số 1÷3), còn khi xây dựng mặt đường ở những vùng khí hậu nóng - dùng các loại bitum mác cao (số 5)

Bitum dầu mỏ là sản phẩm thu được từ công nghệ lọc dầu mỏ; bao gồm các hợp chất hydrocacbua cao phân tử như : CnH2n+2, CnH2n, hydrocacbua thơm mạch vòng (CnH2n-6) và một số dị vòng có chứa oxy, ni tơ và lưu huỳnh

Bảng 2.8 - Các chỉ tiêu kỹ thuật của bitum đặc theo tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam

vị 40/60 Trị số các chỉ tiêu phân theo độ kim lún 60/70 70/100 100/150 150/250

1 Độ kim lún ở 25oC 0.1m

m 40-60 60-70 70-100 100-150 150-250

3 Nhiệt độ hoá mềm (Phương

70 min 65 min 60 min

7 L-îng hoµ tan trong

không đối xứng như vậy, nên ở lớp bề mặt, chúng định hướng phù hợp với quy luật cân bằng cực tính, và làm giảm sức căng bề mặt ở mặt phân chia giữa nước và bitum, tức là

nó làm giảm sự khác nhau về sức căng bề mặt của bitum và nước

Chất nhũ hóa được chia ra các loại anion hoạt tính, cation hoạt tính và loại không sinh ra ion:

+ Chất nhũ hoá anion hoạt tính bao gồm: xà phòng của các axit béo, axit nhựa, axit naftalen và các axit sunfua naftalen

+ Chất nhũ hoá cation hoạt tính là những muối của các hợp chất amôniac bậc bốn; các amin bậc nhất, bậc hai và các muối của chúng; các điamin

+ Nhóm không sinh ra ion bao gồm các hợp chất không hoà tan trong nước, chủ yếu

là các ête

+ Ngoài những loại chất nhũ hóa dạng hữu cơ trên ra, khi chế tạo nhũ tương còn dùng chất nhũ hóa dạng bột vô cơ Những chất nhũ hóa dạng bột vô cơ hay dùng là vôi bột, vôi tôi, đất sét, đất hoàng thổ

Trong thực tế xây dựng đường, ứng dụng rộng rãi nhất là những chất nhũ hóa anion hoạt tính để chế tạo nhũ tương thuận (nhủ tương anion hoạt tính - hạt nhựa mang điện tích âm, còn gọi là nhủ tương dầu - nước)

2.1.2.3 Phân loại nhũ tương

Căn cứ vào đặc trưng của pha phân tán và môi trường phân tán, nhũ tương được chia ra hai loại:

+ Nhũ tương thuận: nếu pha phân tán là bitum ( hay guđrông), còn môi trường

phân tán là nước còn gọi là nhũ tương dầu - nước

+ Nhũ tương nghịch: nếu pha phân tán là những giọt nước, còn bitum ( hay

guđrông) là môi trường phân tán, c ò n gọi là nhũ tương nước - dầu

Theo khả năng trộn lẫn của nhũ tương với vật liệu khoáng chia nhũ tương ra làm ba loại : 1, 2, 3 (theo quy phạm 18659 - 81 - Nga)

Căn cứ vào chất nhũ hóa (chất phụ gia hoạt tính bề mặt), nhũ tương được chia ra làm 4 loại sau:

+ Nhũ tương anion hoạt tính: h ạ t n h ự a m a n g đ i ệ n t í c h â m (nhũ tương

kiềm) - dùng chất nhũ hóa là những muối kiềm của axit béo, axit naftalen, nhựa hay những axit sunfua, độ pH của nhũ tương từ 9 ÷ 12

+ Nhũ tương cation hoạt tính: hạt nhựa mang điện tích dương (nhũ tương

axit) - dùng chất nhũ hóa là các muối của các chất amôniac bậc bốn, điamin, độ pH trong nhũ tương này nằm trong giới hạn từ 2÷6

+ Nhũ tương không sinh ra ion - là nhũ tương dùng chất nhũ hóa không sinh ra

ion như opanol (cao su tổng hợp), pôlyizôbutilen, độ pH = 7

+ Nhũ tương là loại bột nhão khi dùng chất nhũ hóa ở dạng bột vô cơ như bột vôi

Theo kích cỡ hạt:

- Nhũ tương thường: Cỡ hạt bị phân tán 1 ÷ 20.10-6m

- Vi nhũ tương: Cỡ hạt bị phân tán 0,01 ÷ 0,05.10-6m

Theo tốc độ phân tích:

- Nhũ tương phân tích nhanh: 15 ÷ 30 phút

- Nhũ tương phân tích vừa: 30 ÷ 60 phút

- Nhũ tương phân tích chậm: 4 ÷ 24 giờ

Theo hàm lượng nhựa: theo hàm lượng được phân thành các loại nhưa sau: 50%, 55%, 60%, 65%, 69% và > 69%

2.1.2.4 Các đặc tính của nhũ tương làm đường

2

1

x N

N

P

Trong đó: N1 - lượng nhựa còn lại sau khi thí nghiệm

N2 - lượng nhựa trên mặt sỏi trước khi thí nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành như sau: Nhúng sỏi có d = 6 - 12mm vào nhũ tương trong 2 phút, để ngoài không khí 30 phút, rửa mẫu trong nước 15 phút

P = 100 ÷ 50 phân giải nhanh

P = 10 ÷ 50 phân giải vừa

P < 10 phân giải chậm

 Tính ổn định khi vận chuyển và bảo quản:

+ Tính ổn định khi bảo quản: đặc trưng cho khả năng của nhũ tương bảo toàn

được các tính chất khi nhiệt độ thay đổi, nghĩa là nó không lắng đọng, không tạo thành lớp vỏ và bảo toàn tính đồng nhất trong một khoảng thời gian nhất định, thường được xác định sau 7 và 30 ngày bảo quản (theo tiêu chuẩn 18659 - 81 Liên Xô cũ)

Các loại nhũ tương có thành phần khác nhau có thể ổn định trong lúc bảo quản ở nhiệt độ từ +30C đến +400C trong 30 ngày

Hình 2.5 - Quá trình phân tích của nhũ tương nhựa (khi lưu trữ bảo quản)

+ Tính ổn định khi vận chuyển: hay khi chịu tác dụng của ngoại lực được xác

định bằng khả năng của nhũ tương bảo toàn tính chất khi chuyên chở và khi thi công

Để xác định tính ổn định khi bảo quản và khi vận chuyển, lấy nhũ tương đã bảo quản sau 7 ngày và 30 ngày cho chảy qua sàng có kích thước lỗ sàng 0,14mm Yêu cầu

là lượng chảy qua sàng không lớn quá 0,1% theo trọng lượng và đảm bảo các tính chất khác theo tiêu chuẩn Nhà nước

Tính ổn định khi vận chuyển được kiểm tra theo các tính chất của bitum sau 2 giờ vận chuyển phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của quy phạm

 Tính dính bám của màng chất dính kết với bề mặt vật liệu khoáng:

Tính dính bám được kiểm tra bằng trị số bề mặt của đá dăm vẫn còn được phủ nhũ tương sau khi rửa các mẫu thử bằng nước ở nhiệt độ 1000C Trị số bề mặt phải không nhỏ hơn 75% (với nhũ tương anion) và không nhỏ hơn 95% (với nhũ tương cation)

Hình 2.6 - Quá trình phân tích của nhũ tương (khi tương tác với cốt liệu)

- Giai đoạn lắng: nhựa bắt đầu bị lắng xuống bề mặt cốt liệu, nước nổi ra ngoài

- Giai đoạn kết tủa: các hạt nhựa xích lại gần nhau và bao bọc lấy bề mặt cốt liệu, nhưng chất

nhũ hoá vẫn bao bọc các hạt nhựa

 Tính chất phần còn lại sau khi chưng cất: