Nghiên cứu sử dụng đất gia cố xi măng làm móng, mặt đường giao thông nông thôn tại huyện châu thành tỉnh tây ninh luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng đất tại chỗ huyện Châu Thành gia cố xi măng để cải thiện một số tính chất cơ lý, đáp ứng được gia cố trong xây dựng kết cấu áo đường ô tô nói chun

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN VĂN VĨNH

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG LÀM MÓNG, MẶT ĐƯỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN TẠI HUYỆN CHÂU THÀNH TỈNH TÂY NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH - 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN VĂN VĨNH

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG LÀM MÓNG, MẶT ĐƯỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN TẠI

HUYỆN CHÂU THÀNH TỈNH TÂY NINH

CHUYÊN NGÀNH: XD ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

Mã số : 60.58.02.05.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Nguyễn Thanh Sang

TP HỒ CHÍ MINH - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Trần Văn Vĩnh

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn này, tác giả đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn, các bạn đồng nghiệp và các cơ quan liên quan

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban Giám đốc Cơ Sở II, Khoa Sau Đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Đường bộ, Trường Đại học Giao thông Vận tải đã giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu

Trong khuôn khổ một luận văn Thạc sỹ khoa học kỹ thuật, chắc chắn chưa đáp ứng được một cách đầy đủ những vấn đề đã đặt ra nên tác giả xin chân thành cảm ơn và nghiêm túc tiếp thu những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Tác giả

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ

GTNT Giao thông nông thônKHCN Khoa học công nghệ

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GIA CỐ ĐẤT ĐỂ LÀM MÓNG ĐƯỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN 5

1.1 Khái niệm và phân loại 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Phân loại 5

1.2 Tổng quan về đất gia cố xi măng trên thế giới 6

1.3 Tổng quan về đất gia cố xi măng ở Việt Nam 8

1.4 Phân tích khả năng ứng dụng kết cấu móng, mặt đường đất gia cố xi măng ở đặc thù vùng huyện Châu Thành, tỉnh Tây Ninh 10

1.4.1 Lý thuyết về sự rắn chắc của xi măng 13

1.4.2 Nguyên lý hình thành cường độ của đất khi gia cố xi măng 15

1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành cường độ của đất khi gia cố XM 17

1.5 Nghiên cứu sử dụng XM kết hợp với TB, vôi gia cố đất làm móng đường ô tô21 1.5.1 Giới thiệu về tro bay 21

1.5.2 Yêu cầu đối với vôi khi gia cố đất 22

1.5.3 Một số đặc điểm của vật liệu đất gia cố xi măng kết hợp tro bay và xi măng kết hợp vôi 22

1.6 Kết luận chương 1 23

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG ĐỂ LÀM MÓNG, LỚP MẶT ĐƯỜNG GTNT Ở HUYỆN CHÂU THÀNH 25

2.1 Các yêu cầu chung 25

2.2 Vật liệu chế tạo đất gia cố xi măng: 25

2.2.1 Yêu cầu đối với đất 28

2.2.2 Yêu cầu đối với xi măng 28

2.2.3 Yêu cầu đối với phụ gia hoạt tính: 29

2.2.4 Yêu cầu đối với nước: 29

2.3 Phương pháp nghiên cứu và các tiêu chuẩn đã sử dụng 29

2.3.1 Phương pháp xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất 29

2.3.2 Các phương pháp đánh giá chất lượng của đất gia cố 38

2.4 Nội dung thí nghiệm 43

2.4.1 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất 43

2.4.2 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 45

2.5 Kết quả thực nghiệm và đánh giá 50

2.5.1 Kết quả thực nghiệm và đánh giá cường độ chịu nén của đất gia cố 50

2.5.2 Kết quả thực nghiệm và đánh giá cường độ ép chẻ của đất gia cố 53

2.5.3 Kết quả thực nghiệm và đánh giá mô đun đàn hồi của đất gia cố E 56

2.5.4 Thiết lập mối tương quan giữa các chỉ tiêu kỹ thuật của đất gia cố xi măng 59 2.6 Ứng dụng và đánh giá hiệu quả kinh tế 62

CHƯƠNG 3 : ĐỀ XUẤT KẾT CẤU VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ THI CÔNG XI MĂNG GIA CỐ ĐẤT LÀM MÓNG, MẶT ĐƯỜNG GTNT Ở HUYỆN CHÂU THÀNH 63

3.1 Đề xuất các kết cấu áo đường sử dụng đất gia cố xi măng thay thế các kết cấu áo đường đang sử dụng 63

3.1.1 Phân tích hiệu quả kinh tế 64

3.1.2 Kết cấu 64

3.1.3 Đánh giá về chỉ tiêu kinh tế 66

3.2 Quy trình công nghệ thi công xi măng gia cố đất 67

3.3 Yêu cầu với công tác kiểm tra và nghiệm thu kết cấu móng, mặt đường đất gia cố xi măng 74

3.3.1 Kiểm tra lớp đất gia cố 74

3.3.2 Nghiệm thu lớp đất gia cố 75

3.4 Kết luận chương 3 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

TÀI LIỆU TAM KHẢO 80

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Mạng lưới Đường tỉnh huyện Châu Thành 11

Bảng 1.2 Tổng hợp hiện trạng mạng lưới đường bộ huyện Châu Thành tỉnh Tây Ninh năm 2015 11

Bảng 1.3 Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau (Mitchell and Freitag, 1959) 19

Bảng 1.4 Tỷ lệ xi măng với đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959) 19

Bảng 2.1 Kết quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn đất ở huyện Châu Thành tỉnh Tây Ninh 44

Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm chỉ tiêu lý, hóa của tro bay loại F - Formusa, Nhơn Trạch 46

Bảng 2.3 Thành phần hạt của đất 46

Bảng 2.4 Kết quả thí nghiệm đầm nén của mẫu đất gia cố 48

Bảng 2.5 Số lượng mẫu thí nghiệm ở tuổi 14 và 28 ngày 48

Bảng 2.6 Kết qủa TN cường độ nén mẫu ở trạng thái bão hòa 51

Bảng 2.7 Kết quả TN cường độ ép chẻ ở trạng thái bão hòa 54

Bảng 2.8 Kết quả TN mô đun đàn hồi của đất gia cố XM và TB 57

Bảng 3.1 Các kết cấu áo đường đề xuất 63

Bảng 3.2 Bảng thống kê giá thành vật liệu xây dựng ở Tây Ninh 64

Bảng 3.3 Kết cấu áo đường cấp IV đề xuất 65

Bảng 3.4 Kết cấu áo đường cấp GTNT đề xuất 65

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Dụng cụ để xác định giới hạn chảy 35

Hình 2.2: Biểu đồ xác định giới hạn chảy WL 38

Hình 2.3: Sơ đồ đặt mẫu thử hình trụ bằng vật liệu có dùng chất kết dính vô cơ vào máy nén để ép chẻ 40

Hình 2.4: Công tác chuẩn bị, trộn mẫu và mẫu đất gia cố sau khi chế tạo 44

Hình 2.5: Thí nghiệm xác định độ chặt và độ ẩm tốt nhất của đất 45

Hình 2.6: Quá trình chuẩn bị đúc mẫu đất gia cố 49

Hình 2.7: Mẫu đất gia cố sau khi chế bị 49

Hình 2.8: Mẫu đất gia cố được ngâm bão hòa trong nước 50

Hình 2.9: Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của đất gia cố 51

Hình 2.10: Rn của đất gia cố ở tuổi 14 và 28 ngày 52

Hình 2.11: Thí nghiệm xác định cường độ chịu ép chẻ của đất gia cố 54

Hình 2.12: Mẫu bị phá hoại sau TN xác định cường độ chịu ép chẻ 54

của đất gia cố 54

Hình 2.13: Rech của đất gia cố XM và TB ở tuổi 14 và 28 ngày 55

Hình 2.14: Thí nghiệm mô đun đàn hồi của đất gia cố 57

Hình 2.15 : Mô đun đàn hồi của đất (E) gia cố XM và TB ở tuổi 14 và 28 ngày 58

Hình 2.16: Tương quan giữa Rn và Rech ở tuổi 14 ngày 59

Hình 2.17: Tương quan giữa Rn và Rech ở tuổi 28 ngày 60

Hình 2.18: Tương quan giữa Rn và Egc ở tuổi 14 ngày 61

Hình 2.19: Tương quan giữa Rn và Egc ở tuổi 28 ngày 61

Hình 3.1: Mặt bằng tuyến hiện hữu và tạo lại khuôn đường 68

Hình 3.2 : Dùng dàn cày máy ban xới đất làn gia cố 69

Hình 3.3: Máy cày xới đất, phay nhỏ đất 69

Hình 3.4: Rải XM đóng bao nặng 50 kg bằng thủ công 70

Hình 3.5: Công tác rải và trộn đất với xi măng bằng thủ công 70

Hình 3.6: Trộn xi măng với đất (trộn khô) bằng các loại máy nông nghiệp 71

Hình 3.7: Tưới nước tạo độ ẩm tối ưu cho đất gia cố (trộn ướt) 71

Hình 3.8 : Lu lèn hỗn hợp gia cố 72

Hình 3.9: Ghim đá tạo lớp chân dính bám 73

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, công nghệ khoa học ứng dụng phát triển, cùng với đó là rất nhiều máy móc, thiết bị thí nghiệm hỗ trợ cho việc nghiên cứu tại hiện trường

và trong phòng thí nghiệm Con người không ngừng tìm ra các công nghệ mới trong ngành xây dựng công trình với mục tiêu tối ưu hóa các nguồn lực tự nhiên sẵn có tại địa phương, giảm thiểu việc sử dụng các nguồn vật liệu phải vận chuyển từ nơi khác Việc tận dụng nguồn vật liệu sẵn có của địa phương

có thể giảm giá thành, đẩy nhanh tiến độ thi công và giảm thiểu tác động đến môi trường Ở đây, trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng ta quan tâm đến lĩnh vực xây dựng đường Xây dựng một tuyến đường, để hạ giá thành xây dựng ta phải nghĩ đến việc tận dụng vật liệu tại chỗ sẽ giảm được giá cước vận chuyển vật liệu đến công trình, công nghệ thi công đơn giản và không đòi hỏi công nhân kỹ thuật cao sẽ có thể tận dụng được nguồn nhân lực tại địa phương Tuy nhiên mục tiêu chất lượng công trình vẫn phải được đặt lên hàng đầu

Việt Nam là một nước đang phát triển, vì vậy nhu cầu xây dựng phát triển

cơ sở hạ tầng là rất lớn và đây cũng là mảng đề tài vô cùng rộng lớn, hấp dẫn các học viên nghiên cứu Nếu nghiên cứu thành công sẽ đem lại rất nhiều lợi ích cho đất nước, chính vì vậy việc nghiên cứu các ứng dụng mới cho ngành xây dựng công trình luôn đem lại nhiều động lực cho học viên

Tây Ninh là một tỉnh thuộc Đông Nam Bộ của Việt Nam, trong bối cảnh thành phố Tây Ninh mới vừa được công nhận vào tháng 02/2014 nên tỉnh rất chú trọng đến đầu tư hệ thống giao thông nhằm thúc đẩy kinh tế phát triển, Châu Thành là huyện nằm giáp ranh với thành phố Tây Ninh cũng là huyện của tỉnh có đường biên giáp với nước Campuchia khá dài, bên cạnh hệ thống giao thông các trục chính của huyện được đầu tư thì mạng lưới giao thông nông thông ở huyện cũng đang được quan tâm nhằm phục vụ nhu cầu đi lại

của người dân trong huyện , vì vậy việc nghiên cứu lựa chọn hợp lý kết cấu móng, mặt đường để phát triển giao thông nông thôn với mục tiêu đạt các tiêu chí về phát triển bền vững là một trong các hướng ưu tiên

Trong bối cảnh thực hiện nghị quyết của Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ

XI, nhất là trong điều kiện thực hiện các mục tiêu của Nghị quyết số NQ/TW ngày 5 tháng 8 năm 2008 về nông nghiệp, nông dân và nông thôn; thực hiện Quyết định số 800/QĐ-TTg ngày 04 tháng 06 năm 2010 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt chương trình mục tiêu quốc gia về xây dựng nông thôn mới giai đoạn 2010-2020

26-Quyết định số 315/ QĐ-BGTVT ngày 23 tháng 02 năm 2011 về việc hướng dẫn lựa chọn quy mô kỹ thuật đường giao thông nông thôn phục vụ chương trình mục tiêu quốc gia Một tiêu chí rất quan trọng trong xây dựng nông thôn mới đó là xây dựng hệ thống đường giao thông nông thôn Sử dụng vật liệu tại chỗ, rẻ tiền, công nghệ thi công đơn giản để phục vụ cho xã hội hóa xây dựng GTNT là xu thế tất yếu Xây dựng nông thôn mới là một trong các nhiệm vụ quan trọng trong sự nghiệp CNH-HĐH đất nước

Với các đặc thù về vật liệu địa phương của khu vực huyện khá tương đồng nhau Các kết cấu mặt đường thường dùng cho GTNT khu vực này là bê tông

xi măng, mặt đường sỏi đỏ cũng như một số kết cấu đặc biệt khác Với chức năng phục vụ sự đi lại của dân cư nông thôn, góp phần phát triển KTXH nông thôn, bên cạnh việc đảm bảo các yếu tố kỹ thuật, công nghệ thi công đơn giản thì việc phân tích hiệu quả kinh tế sử dụng kết cấu mặt đường giao thông nông thôn là rất quan trọng Đánh giá các chỉ tiêu về kinh tế cũng như hiệu quả sử dụng trên cơ sở vật liệu địa phương huyện Châu Thành tỉnh Tây Ninh

để đáp ứng được tiêu chí phát triển bền vững trong xây dựng nông thôn mới

là cần thiết

Đề tài “Nghiên cứu sử dụng đất gia cố xi măng làm móng, mặt đường

giao thông nông thôn tại huyện Châu Thành tỉnh Tây Ninh” ở Việt Nam là

một trong các hướng nghiên cứu để đưa ra phong phú các lựa chọn loại đất gia cố xi măng trong xây dựng đường nông thôn là cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng đất tại chỗ huyện Châu Thành gia cố xi măng để cải thiện một số tính chất cơ lý, đáp ứng được gia cố trong xây dựng kết cấu áo đường ô tô nói chung và kết cấu áo đường GTNT nói riêng Đồng thời so sánh khi sử dụng các chất kết dính khác để gia cố, loại đất này để từ đó đưa ra các khuyến cáo cần thiết trong việc sử dụng loại chất kết dính phù hợp trong gia cố đất tại địa phương

3 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu các tính chất cơ lý của đất tại công trình khi gia cố xi măng với các hàm lượng khác nhau, các chỉ tiêu được đề cập như sau mô đun đàn hồi, cường độ chịu nén và ép chẻ của đất gia cố trong điều kiện bão hòa nước

4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu các loại đất phổ biến nhất tại huyện Châu Thành (á cát) gia cố xi măng với các hàm lượng 8-10% và so sánh với tính chất của các loại đất này khi gia cố với các loại kết dính khác

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được tác giả sử dụng là phương pháp nghiên cứu

lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm

6 Kết cấu của luận văn:

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn có kết cấu gồm 03 chương:

Chương 1: Tổng quan gia cố đất để làm lớp móng đường GTNT

Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm xi măng gia cố đất để làm lớp

móng, lớp mặt đường GTNT ở huyện Châu Thành

Chương 3: Đề xuất kết cấu và quy trình công nghệ thi công lớp xi

măng gia cố đất làm lớp móng, mặt đường GTNT ở huyện Châu Thành

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GIA CỐ ĐẤT ĐỂ LÀM MÓNG ĐƯỜNG

GIAO THÔNG NÔNG THÔN 1.1 Khái niệm và phân loại

1.1.1 Khái niệm

Gia cố đất là việc gia cố cứng đất được thực hiện bằng cách dùng một số chất phụ gia đưa vào đất làm biến đổi tính đất khi đó đất sẽ mất đi tính chất đặc trưng của nó là tính trương nở của thành phần sét trong đất, đồng thời chất phụ gia cũng làm cho tính chất cơ lý của đất thay đổi khi đó đất trở nên

có độ cứng cao hơn bình thường và có khả năng liên kết chặt với các loại chất kết dính vô cơ để tạo nên một kết cấu khối bằng đất hoàn toàn cứng nhắc và

ổn định trong nước

1.1.2 Phân loại

Có nhiều phương pháp để gia cố đất tùy thuộc vào tình trạng, tính chất của đất, của chất liên kết và nguyên tắc áp dụng các chất liên kết đó với đất:

1.Gia cố đất bằng các chất liên kết vô cơ: Là quá trình sử dụng các loại

chất kết dính như Xi măng pooclăng, xi măng pooclăng- xỉ, xi măng pooclăng + tro bay hay natrisilicat, vôi sống, vôi tôi, vôi + tro bay hoặc natrisilicat.v.v

để gia cố các loại đất á cát, á sét, sét, cát, đất đá dăm và đất sỏi sạn

2.Gia cố đất bằng các chất liên kết hữu cơ: Là sử dụng nhũ tương nhựa,

nhựa lỏng và hắc ín có độ đông đặc chậm và vừa, nhựa pha dầu.v.v để gia cố các loại đất á cát, cát bột, cát lẫn sỏi sạn, á sét nhẹ, đất đá dăm và đất sỏi sạn

3.Gia cố đất bằng các chất keo trùng hợp cao phân tử: Là việc sử dụng

các chất kết dính là các loại keo như furfurolanilin, acrila CH2:CHCOOR, keo cacbamit v.v để gia cố các loại cát bột, á cát, á sét đất đá dăm và đất sỏi sạn

4.Gia cố đất bằng phương pháp tổng hợp: Là việc sử dụng các chất kết

dính như xi măng pooclăng hoặc vôi có thêm các chất điện ly, xi măng hoặc vôi có thêm các chất cao phân tử có hoạt tính bề mặt, nhũ tương nhựa hoặc nhựa lỏng có thêm các chất phụ gia hoạt tính bề mặt hoặc các chất trùng hợp

cao phân tử v.v để gia cố các loại đất á cát, cát bột, á sét, đất đá dăm và đất sỏi sạn cấp phối tốt nhất

5.Gia cố đất bằng 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 này phù hợp với đất á sét, đất sét không chức cacbonat

6.Gia cố đất bằng phương pháp điện hóa: Dùng dòng điện một chiều tác

dụng lâu dài, hình thành nên cấu trúc đông tụ bền vững trong đất, phù hợp với đất á cát, cát, sét

7.Gia cố đất bằng các loại muối: Sử dụng các loại muối để giữ cho thành

phần sét – keo trong đất luôn có độ ẩm tốt nhất, hoặc để làm với các hạt keo thành hợp chất không hòa tan dể gia cố đất sét, á sét và á cát

8.Phương pháp cơ học: hay còn gọi là phương pháp nén chặt nhằm nâng

cao môđun biến dạng và sức chống cắt của đất, làm giảm tính thấm nước, nâng cao tính ổn định làm giảm chiều cao nước mao dẫn khi tăng độ chặt cho đất

9.Phương pháp vi sinh học: Dùng các chủng vi sinh vật hoặc enzymes

làm tăng khả năng kết dính của đất loại sét

Ngày nay, phương pháp gia cố đất bằng các chất liên kết vô cơ đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công tại nhiều địa phương ở Việt Nam Phương pháp này cho thấy nhiều ưu điểm về tính kinh tế và kỹ thuật

1.2 Tổng quan về đất gia cố xi măng trên thế giới

Hiện nay ở nhiều nước trên thế giới đang áp dụng các phương pháp gia

cố đất tổng hợp Phương pháp này có ưu điểm là áp dụng được cho mọi nguồn đất có thể khai thác gần nơi thi công nhất Việc sử dụng keo polime tổng hợp làm chất liên kết trong xây dựng đường gần đây cũng chú ý tới, biện pháp này có nhiều ưu điểm nhưng giá thành vẫn còn quá đắt

Đất gia cố vôi đã được biết đến từ lâu nhưng việc nghiên cứu kỹ lưỡng

và có hệ thống về nó mới chỉ được vài chục năm trở lại đây

Nước ứng dụng công nghệ XM đất nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver Theo thống kê của hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 80-96 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 Riêng

từ 1977 đến 1993, lượng đất gia cố bằng XM ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền, với khoảng 300 dự

án, hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3; Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử lý bằng cọc đất gia

cố XM ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng trên 1 triệu m3

Tại Châu Âu, nghiên cứu và ứng dụng ở Thụy Điển và Phần Lan bắt đầu từ năm 1967

Năm 1974, Viện nghiên cứu hải cảng và bến tàu báo cáo phương pháp trộn vôi dưới sâu đã được bắt đầu ứng dụng toàn diện tại Nhật Bản

Những nghiên cứu của các nhà khoa học ở các nước khác nhau đã chứng minh rằng: Xi măng có tác dụng làm giảm hẳn hoặc mất hết tính dẻo của hầu hết các loại đất Các kết quả nghiên cứu nhiều nước đã cho kết luận là xi măng thủy hóa cũng hiệu quả với hầu hết với tất cả các loại đất sét phân tán mịn, tuy rằng cường độ không cao như với các loại hỗn hợp đất á cát hay á sét Khi làm móng đường làm tỷ lệ xi măng khoảng 4 – 12 %, còn dùng các lớp đệm chỉ cần dùng 2 – 4 % vôi Các quá trình hình thành cấu trúc thứ sinh đã biến đổi cơ bản tính chất của đất, khiến cho đất có thể chịu lực và ổn định nước, phân tán đất tạo nên các khung cốt liệu làm cho hỗn hợp XM - Đ trở nên toàn khối và vững chắc

Có thể dùng xi măng kết hợp với các loại chất phụ gia khác để tăng hiệu quả của việc gia cố đất Ví dụ như dùng tro bay làm chất kết dính của XM khi gia cố đất có thể mang lại hiệu quả tăng cường độ Ở Mỹ và Ấn Độ biện pháp này đã được sử dụng rộng rãi

Tóm lại công việc nghiên cứu thử nghiệm và thi công các công trình có

sử dụng vật liệu gia cố đã trải qua rất nhiều thập kỷ và hiện nay đã được phát triển một cách toàn diện và rộng rãi trên thế giới

1.3 Tổng quan về đất gia cố xi măng ở Việt Nam

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu và sử dụng đất gia cố trong xây dựng đường được Bộ môn Đường trường Đại học Bách Khoa tiến hành từ những năm 1961 – 1962 Về sau, các cơ quan nghiên cứu khác như Viện Kỹ thuật giao thông, Viện Thiết kế giao Viện Quy hoạch thành phố thuộc Bộ kiến trúc, trường đại học Giao thông, trường Đại học Xây dựng… đã tiến hành các nghiên cứu với quy mô ngày càng được mở rộng Sau này đề tài “Đất gia cố"

đã được Ủy Ban Khoa Học và Kỹ Thuật Nhà nước coi là đề tài quan trọng Viện Khoa Học Công Nghệ GTVT và phân viện KHCN GTVT phía Nam kết hợp với các đơn vị địa phương đã xây dựng thí điểm nhiều đoạn đường bằng vật liệu đất gia cố vôi, đất gia cố xi măng ở nhiều địa phương khác nhau như:

Hà Nam Ninh cũ, Vĩnh Phú, Hà Bắc, Long An, Trà Vinh, Vĩnh Long, Đồng Tháp… và gần đây là Hà Nội, Tây Ninh, Tiền Giang với công nghệ hiện đại.Trong những năm qua ở phía Bắc, các loại đất được nghiên cứu gia cố bao trùm từ đồng bằng, trung du đến miền núi, ở một số đoạn trên dãy Trường Sơn Ở phía Nam đã tiến hành với các loại đất đỏ bazan ở Tây Nguyên và Đông Nam Bộ và một số loại đất bùn sét ở miền Tây

Biện pháp được nghiên cứu gia cố nhiều nhất cho đến nay là sử dụng chất liên kết vô cơ (vôi và xi măng), trong đó vôi và xỉ vôi vẫn phổ biến nhất

Một số công trình thử nghiệm đất gia cố chất liên kết vô cơ ở Việt Nam:

Thí điểm đất gia cố vôi trên đường Trần Hưng Đạo, Hà Nội năm 1963 Đoạn thí điểm phần mở rộng đường Hàng Bột cũ do trường đại học Xây dựng kết hợp với Công ty Xây dựng Cầu đường Hà Nội làm năm 1974 mặt đường làm việc tốt trong điều kiện lưu lượng xe cao

Đoạn đường đê bao thành phố Nam Định do Bộ kiến trúc làm năm 1967 Mặt đường ổn định

Trước đây Viện kỹ thuật giao thông (nay là Viện KHCN GTVT) đã có những thí điểm đất gia cố vôi ở Xuân Đỉnh – Từ Liêm – Hà Nội, thị xã Hưng Yên, Dốc Má – Kép trên Quốc lộ 1A, bến than Nam Định… các thí điểm đều cho kết quả tốt

Năm 1994, viện KHCN GTVT đã phối hợp với sở GTVT Lâm Đồng tiến hành thí điểm gia cố đất đồi bằng vôi bột trên QL 27 Kết cấu mặt đường mới chỉ có một lớp đất gia cố vôi 8 % dày hơn 20cm Mặc dù vậy, mặt đường vẫn được khai thác bình thường trong thời gian 1 năm

Năm 1995 Viện đã kết hợp với Sở GTVT Hà Tây ứng dụng thí điểm đất gia cố vôi trên Tỉnh lộ 21 (nay là Tỉnh lộ (TL) 80) thuộc địa bàn Hà Tây bằng thiết bị phay trộn đất chuyên dùng BOMAG Khi đo độ võng đàn hồi đặc trưng dưới bánh xe có tải trọng trục 10 tấn đạt 0,86mm; Edh = 1318 daN/cm2(kết quả đo ngày 17/6/1995)

Đoạn thí điểm trên Quốc lộ 62 – Long An do Phân viện KHCN GTVT Phía Nam kết hợp với tổng công ty Xây dựng công trình 8 Chi nhánh phía Nam thực hiện máy phay chuyên dùng CS – 12 Cho đến nay mặt đường làm việc tốt trong điều kiện lưu lượng xe cao

Tại Hà nội, Hầm đường bộ Kim Liên được xây dựng trong khu vực địa chất yếu, nhất là khu vực phía đuờng Đào Duy Anh, chính vì vậy nền đất dưới hầm đã được cải tạo bằng phương pháp cọc đất gia cố XM với chiều dày khoảng 1.5-6m

Tại Tp Hồ Chí Minh, cọc đất gia cố XM được sử dụng trong dự án Đại

lộ Đông Tây, một số cao tốc như Saigon Times Square.v.v

Ngoài ra Đất gia cố chất liên kết vô cơ còn được Phân Viện KHCN GTVT phía Nam thực hiện trên một số dự án lớn nhỏ như:

Tại tỉnh Đồng Tháp thí điểm ở đường GTNT xã Mỹ Đông huyện Tháp Mười có chiều dài 2000m, rộng 2,5m và đường GTNT xã Bình Hàng Tây huyện Cao Lãnh dài 2000m, rộng 2,5m

Tỉnh Vĩnh Long thí điểm ở đường GTNT tại xã Phú Quế huyện Long Hồ dài 500m, rộng 3m và xã Đông Thành huyện Bình Minh có chiều dài 2000m, rộng 3,5m

Nhận xét: Các công trình sử dụng chất liên kết vô cơ gia cố đất nhìn

chung cho kết quả tốt, có thể áp dụng rộng rãi trong thực tế để làm móng và mặt cho đường ô tô Cường độ của đất gia cố chất liên kết chịu ảnh hưởng bởi tính chất và thành phần khoáng vật của đất, chất liên kết vì thế ứng với từng công trình phải có các nghiên cứu cụ thể Trong thực tế các công trình sử dụng đất gia cố chất liên kết làm móng và mặt đường ô tô còn rất hạn chế, nhỏ lẻ Một số công trình lớn có áp dụng một số công nghệ để gia cố nhưng chủ yếu là để sử lý nền đất bằng cọc đất gia cố

1.4 Phân tích khả năng ứng dụng kết cấu móng, mặt đường đất gia cố xi măng ở đặc thù vùng huyện Châu Thành, tỉnh Tây Ninh

Đầu tiên, tác giả sẽ thống kê về hệ thống mạng lưới giao thông đường bộ hiện nay trên địa bàn huyện Châu Thành:

Hệ thống quốc lộ: Trên địa bàn huyện chỉ có duy nhất tuyến QL22B có tổng chiều dài khoảng 20Km bê tông nhựa hóa 100%

Đường tỉnh: Trên địa bàn huyện có 4 đường tỉnh với tổng chiều dài

khoảng 134km

Bảng 1.1: Mạng lưới Đường tỉnh huyện Châu Thành

Chiều dài theo kết cấu mặt đường (km)

Cấp đườngTổng

Mặt đường BTN

Mặt đường láng nhựa

Mặt đường cấp phối sỏi

Hệ thống đường huyện: Tổng chiều dài mạng lưới đường huyện đang

quản lý là 80,68km

Giao thông nông thôn: Tổng chiều dài mạng lưới đường giao thông nông

thôn trên địa bàn huyện là 165,38km

Bảng 1.2: Tổng hợp hiện trạng mạng lưới đường bộ huyện Châu Thành

tỉnh Tây Ninh năm 2015

Biểu đổ tỷ lệ kết cấu áo đường huyện Châu Thành

Hình 1.1 Biểu đồ tỷ lệ kết cấu áo đường huyện Châu Thành

Với số liệu thống kê nêu trên ta thấy hệ thống đường bộ ở huyện Châu Thành hiện nay thì đường đất và cấp phối sỏi đỏ chiếm đa phần, với đặc thù thời tiết khí hậu ở vùng diễn biến phức tạp mưa nhiều dẫn đến các kết cấu mặt đường như đất, sỏi đỏ nhanh chóng xuống cấp do tính ổn định nước kém Mặt khác, trữ lượng khai thác cho phép nguồn vật liệu làm đường hiện nay tại địa phương như cấp phối sỏi đỏ, đất ngày một khan hiếm nên để đầu tư xây dựng một công trình giao thông nông thôn chi phí tương đối lớn dẫn đến việc thực hiện chương trình mục tiêu quốc gia xây dựng nông thôn mới chưa đồng bộ hóa Từ những khó khăn nêu ra, vấn đề đặt ra ở đây là ta phải đưa ra các giải pháp khắc phục nhược điểm nêu trên là rất cần thiết, với đặc thù là địa chất từ tầng mặt xuống 5m tương đối ổn định và tính chất đất không phức tạp huyện Châu Thành tỉnh Tây Ninh rất thích hợp cho việc tận dụng đất tại chổ để làm nền trong xây dựng đường, kết hợp với thế mạnh là địa phương có nhà máy sản xuất xi măng Fico Tây Ninh hàng năm cung ứng trữ lượng xi măng tương đối lớn khoảng 1,5 triệu tấn/năm nên tác giả đưa ra giải pháp dùng xi măng gia cố đất để làm móng, mặt trong đường giao thông nông thôn là có tính khả thi, giải quyết được vấn đề hiện tại là hạ giá thành trong xây dựng công trình

Qua nghiên cứu lý thuyết, tác giả phân tích tính chất và nguyên lý hình

thành cường độ của chất kết dính xi măng khi gia cố đất:

1.4.1 Lý thuyết về sự rắn chắc của xi măng

Phản ứng thuỷ hoá

Khi nhào trộn xi măng với nước, ở giai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng nhanh của khoáng alit 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 khoáng alit nên khoáng belit thuỷ hoá chậm hơn alit và tách ra ít Ca(OH)2 hơn :

2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 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 chắc và các yếu tố khác Pha chứa alumô chủ yếu trong xi măng là aluminat tricanxi 3CaO.Al2O3, đây là 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 2.CaO.Al2O3.8H2O Cấu trúc dạng tơi xốp này làm giảm độ bền nước của xi măng Dạng ổn định của nó là hyđroaluminat 6 nước

có tinh thể hình lập phương được tạo thành từ phản ứng:

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 sẽ đóng vai trò là chất hoạt động hoá học của xi măng, tác dụng với aluminat tricanxi ngay từ đầu để tạo thành sunfoaluminat 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.Al2O3 làm chậm sự thuỷ hoá của

nó và kéo dài thời gian đông kết của xi măng Sự kết tinh của Ca(OH)2 từ dung dịch quá bão hoà sẽ làm giảm nồng độ hyđroxit canxi trong dung dịch

và etringit chuyển sang tinh thể dạng sợi, tạo ra cường độ ban đầu cho xi măng Etringit có thể tích lớn gấp 2 lần so với thể tích các chất tham gia phản ứng, có tác dụng chèn lấp 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 sau khi đã tác dụng với đá thạch cao để tạo ra muối kép của sunfat :

2(3CaO.Al2O3)+3CaO.Al2O3.3Ca.SO4.32H2O+22H2O =

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 hyđro-aluminat sẽ tác dụng với đá thạch cao như phản ứng trên

Giải thích quá trình rắn chắc của xi măng

Khi xi măng rắn chắc, các quá trình vật lý và hoá lý phức tạp đi kèm theo các phản ứng hoá học có một ý nghĩa rất lớn và tạo ra sự biến đổi tổng hợp, khiến cho xi măng khi nhào trộn với nước, lúc đầu chỉ là hồ dẻo và sau biến thành đá cứng có cường độ Tất cả các quá trình tác dụng tương hỗ của từng khoáng với nước để tạo ra những sản phẩm mới xảy ra đồng thời, xen kẽ và ảnh hưởng lẫn nhau Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tương hỗ với nhau và với các khoáng khác của clinke để hình thành những liên kết mới Do

đó hồ xi măng là một hệ rất phức tạp cả về cấu trúc thành phần cũng như sự biến đổi Để giải thích quá trình rắn chắc người ta thường dùng thuyết của Baikov – Rebinder Theo thuyết này, quá trình rắn chắc của xi măng được chia làm 3 giai đoạn:

Giai đoạn hoà tan : Khi nhào trộn xi măng với nước các thành phần

khoáng của clinke sẽ tác dụng với nước ngay trên bề mặt hạt xi măng Những sản phẩm mới tan được [Ca(OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O] sẽ tan ra Nhưng vì độ tan của nó không lớn và lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên quá bão hoà

Giai đoạn hoá keo : Trong dung dịch quá bão hoà, các sản phẩm

Ca(OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O mới tạo thành sẽ không tan nữa mà tồn tại ở trạng thái keo Còn các sản phẩm etringit, CSH vốn không tan nên vẫn tồn tại

ở thể keo phân tán Nước vẫn tiếp tục mất đi (bay hơi, phản ứng với xi măng), các sản phẩm mới tiếp tục tạo thành, tỷ lệ rắn/lỏng ngày một tăng, hỗn hợp mất dần tính dẻo, các sản phẩm ở thể keo liên kết với nhau thành thể ngưng keo

Giai đoạn kết tinh : Nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi , các sản

phẩm mới ngày càng nhiều Chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho cả hệ thống hoá cứng và cường độ tăng

1.4.2 Nguyên lý hình thành cường độ của đất khi gia cố xi măng

Quá trình hóa rắn của đất gia cố xi măng diễn ra rất phức tạp không giống như quá trình hóa rắn của bê tông xi măng hay vữa xi măng là nhờ sự thủy phân Ở đây, quá trình hóa rắn được diễn ra trong môi trường hoạt tính của vật liệu hạt mịn có các thành phần khoáng khác nhau Chúng làm thay đổi quá trình hóa rắn bình thường của xi măng, ảnh hưởng đến cường độ và độ ổn định nước của hệ thống

Khi đất đã được gia cố xi măng sẽ biến thành một loại vật liệu nhân tạo mới Để hình thành được cấu trúc bền vững đặc trưng, đất gia cố XM cần phải

có sự kết hợp chặt chẽ đồng thời giữa XM, đất và nước thành một hỗn hợp đồng nhất thông qua các quá trình biến cứng lâu dài trong môi trường ẩm, biến hỗn hợp này thành một vật thể toàn khối bền vững

Lượng xi măng và nước đã có trong đất chỉ có hiệu quả lớn nhất khi nào các quá trình kỹ thuật cần thiết sau đây được thực hiện triệt để và hợp lý:

- Đ ở những điều kiện nhất định XM là thành phần chủ yếu làm thay chất lượng và gốc tự nhiên của đất XM sau khi trộn với đất sẽ xảy ra một loạt các phản ứng hoá học gây đông cứng, đóng rắn khối đất được trộn, các phản ứng hoá học chủ yếu để hình thành cường độ của đất gia cố XM là:

Các hợp chất trong xi măng Portland được biến thể khi có nước như sau: 2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (1-1) 2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.SiO2.3H2 + Ca(OH)2 (1-2) 4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 10H2O + 2Ca(OH)2 = 6CaO.Al2O3.Fe2O3.12H2O (1-3)

3CaO.Al2O3 + 12H2O+ 2Ca(OH)2 = 6CaO.Al2O3.Ca(OH)2.12H2O (1-4)

3CaO.Al2O3 + 10H2O + Ca SO4.2H2O = 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O (1-5)

Hai phản ứng (1’-1) và (1’-2), những chất của chúng hợp thành từ 75%

XM Portland, chỉ ra rằng sự thủy hóa của hai loại Calcium Silicate tạo ra các

hợp chất mới: vôi và tobermorite gel, sau đó đóng vai trò quan trọng liên quan đến cường độ và thể tích chủ yếu được quyết định bởi vôi và tobermorite gel Những phản ứng diễn ra trong gia cố XM - đất có thể được trình bày trong những phương trình:

CaS + H2O > C3S2Hx ( hydrated gel) + Ca(OH)2 (1-6) Ca(OH)2 > Ca++ + 2(OH) - (1-7)

Ca++ + 2(OH) - + AL2O3 > CAH (1-9) Khi độ pH < 12.6 thì phản ứng sau xảy ra:

C3S2Hx + H2O > C2S2Hx + Ca(OH)2 (1-10) Trong giai đoạn đầu của quá trình thủy hóa xi măng trộn trong đất được tiếp xúc với nước sẽ tạo thành hiđro silicát canxi (CaO.SiO2.nH2O hoặc Ca(OH)2) và các sản phẩm khác của sự thủy phân Trong giai đoạn tiếp theo,

sẽ xảy ra sự tương tác giữa đất với các sản phẩm thủy hóa của xi măng Vì tỷ diện của xi măng và đất đều rất lớn nên quá trình tương tác hóa lý (trao đổi ion) và hóa học xảy ra rất mạnh, khả năng phản ứng trao đổi ion của đất tăng lên rất nhiều Quá trình thủy hóa diễn ra rất chậm, phụ thuộc vào loại đất và thời gian xảy ra phản ứng

1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành cường độ của đất khi gia

cố XM

Loại đất: Bản chất hoá-lý của đất (kích thước hạt, độ khoáng, hàm lượng

nước, hàm lượng mùn hữu cơ, pH của nước lỗ rỗng.v.v sẽ làm ảnh hưởng đến tính chất của khối XM - Đ Đất có hàm lượng hữu cơ cao hay có hàm lượng muối lớn có thể ngăn cản quá trình hydrat hoá của XM Nếu hàm lượng hạt sét trong đất tăng thì số lượng XM yêu cầu cũng tăng, vì các hạt sét có kích thước nhỏ diện tích bề mặt tiếp xúc lớn sẽ cần một lượng XM lớn hơn để liên kết giữa XM – Đ

Tuổi xi măng - đất: Cường độ của XM - Đ tăng lên theo thời gian, tương

tự như bê tông Thông thường theo thí nghiệm thấy rằng hàm lượng xi măng chưa thủy hóa sau 28 ngày khoảng dưới 20% hàm lượng toàn bộ hạt

Chất kết dính: Loại, chất lượng và số lượng chất kết dính ảnh hưởng trực

tiếp đến sự phát triển cường độ đối với mọi loại đất Các chất kết dính khác nhau (xi măng, vôi, tro bay) cũng phản ứng khác nhau đối với từng loại đất

Do đó, hiệu quả gia cố cũng khác nhau

Hàm lượng xi măng: Hàm lượng xi măng tăng thì cường độ của XM - Đ

cũng tăng Tuy nhiên, độ tăng của cường độ còn phụ thuộc vào loại đất và chất gia cố

Kinh nghiệm lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất của một số tác giả trên thế giới

Tỷ lệ xi măng với đất được tính theo % khối lượng XM so với khối lượng đất khô Để chọn tỷ lệ pha trộn các hỗn hợp gia cố theo phương pháp thí nghiệm trong phòng xác định sức kháng nén của mẫu XM - Đ Để giảm bớt số mẫu và thời gian thí nghiệm có thể dựa trên một số kinh nghiệm của các tác giả đi trước như:

Theo nghiên cứu của Lan Wang: “Tính ổn định của vật liệu XM - Đ trong môi trường có sunfat” lượng XM thay đổi trong phạm vi từ 4% đến 16% trọng lượng khô của đất cần gia cố

Qua nghiên cứu so sánh, Shiells và các cộng sự (2003) kết luận: thông thường phương pháp trộn ướt sử dụng tỷ lệ XM - Đ cao hơn so với phương pháp trộn khô

+ Lượng xi măng từ 180÷400 kg/m3 đất cần gia cố đối với phương pháp trộn ướt;

+ Lượng xi măng từ 90÷180 kg/m

3

đất cần gia cố đối với phương pháp trộn khô

Theo nghiên cứu của hai tác giả Mitchell and Freitag (1959):

+ Thông thường XM – Đ chứa từ 5 % ÷ 14 % XM so với trọng lượng của đất cần gia cố và thường sử dụng để ổn định đất có tính dẻo thấp, đất cát; + Lượng xi măng yêu cầu phụ thuộc vào loại đất, trạng thái của đất cần gia

cố

+ Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu (so với trọng lượng khô của đất cần gia cố) phụ thuộc vào các loại đất khác nhau như bảng 1.6, bảng 1.7

Bảng 1.3 Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau

(Mitchell and Freitag, 1959)

(%)

1 Đất tốt chứa sỏi, cát hạt thô, cát hạt mịn, có

hoặc không có lượng nhỏ bùn hay sét

5% hoặc ít hơn

4 Đất chứa bùn không dẻo hoặc dẻo vừa phải 10%

Bảng 1.4 Tỷ lệ xi măng với đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống

phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959)

được tăng 10 ÷ 40 lần DOH and JICA (1998) kiến nghị: xi măng ảnh hưởng tốt cho việc cải thiện các đặc tính của đất sét ở Băng Cốc, Thái Lan Phương pháp xử lý nền bằng cọc XM - Đ thường sử dụng hàm lượng xi măng thích hợp trong khoảng 80 ÷ 200 kg/m3và chúng được xác định dựa vào cường độ thiết kế của mỗi dự án Thông thường, xi măng Portland với hàm lượng vào khoảng 200 kg/m

3

được sử dụng trong các nghiên cứu ổn định đất sét biển mềm yếu

Ảnh hưởng của lượng nước, điều kiện trộn và điều kiện đóng rắn: Tỷ lệ

nước/xi măng ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ khối XM - Đ, việc tăng lượng nước sẽ làm giảm cường độ của khối XM - Đ Ngoài ra, thời gian trộn, thời gian ninh kết, nhiệt độ ninh kết cũng ảnh hưởng đến cường độ của đất gia

cố xi măng

Ảnh hưởng của độ pH: Trong một phạm vi nhất định, độ pH của đất có

ảnh hưởng tích cực hoạc tiêu của đến cường độ của mẫu XM - Đ Đất có độ

pH trong phạm vi 5.0-6.3 thì pH càng tăng cường độ của XM - Đ càng tăng, Ngược lại, trong phạm vi từ 6.3-6.9 độ pH tăng làm giảm cường độ của mẫu

XM – Đ

Ngoài ra, việc thiết kế hỗn hợp XM - Đ yêu cầu phải có được những thông tin đầy đủ về các điều kiện của vùng dự án và công nghệ thi công, bảo dưỡng Theo những nghiên cứu trên thế giới đã công bố, cường độ của XM -

Đ ngoài thực tế chỉ bằng khoảng 1/2 cho đến 1/5 cường độ mẫu trong phòng thí nghiệm có môi trường hoàn toàn khống chế được Lựa chọn tỷ lệ XM - Đ

để xử lý nền đất yếu bằng XM - Đ là rất phức tạp; nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố và chi phối đến chất lượng, giá thành xây dựng công trình Đây là một chỉ tiêu quan trọng cần phải được nghiên cứu tỉ mỉ kể cả lý thuyết và thí nghiệm để lựa chọn được một tỷ lệ thích hợp mang lại hiệu quả cao khi xử lý nền đất yếu

1.5 Nghiên cứu sử dụng XM kết hợp với TB, vôi gia cố đất làm móng đường

phương huyện Châu Thành

1.5.1 Giới thiệu về tro bay

Tro bay là một sản phẩm được thu tại bộ phận khí thải của ngành năng lượng từ quá trình đốt cháy than Khi đốt cháy than một phần khí thải được đưa qua ống khói còn khoảng 80% xỉ than còn lại từ lò nằm dưới dạng tro bay

Hình 1.2: Cấu trúc hạt của tro bay

Vì hình thái của tro bay là phân tử khối cầu thủy tinh Mật độ trong khoảng từ 1.9 ~ 2.3 (Chiếm khoảng 65% trọng lượng riêng của XM) Kích thước phân tử: 1.0 ~ 120/μm Độ mịn: 2400 ~ 4000 cm2/g (Độ mịn Blaine)

Có thành phần chính: SiO2, Al2O3, Fe2O3 Hoạt tính Puzolan (Phản ứng Puzolan): Là hiện tượng xảy ra khi XM đông đặc thành bê tông, một phần gốc

tự do không được phản ứng còn sót lại sẽ kết hợp với nước và thành phần

chính của tro bay là Silica gây nên phản ứng chậm, có tác dụng làm tăng cường độ của XM kể từ sau 28 ngày

Trong BTN, sử dụng TB làm phụ gia cho BTN sẽ giảm lượng nhựa đồng thời tăng ổn định dính bám giữa các cốt liệu, chống già hóa cho BTN

Tro bay được sử dụng nhiều trong xây dựng như sử dụng trong hỗn hợp BTXM để làm tăng thêm cường độ cho BTXM, kết quả này đã được kiểm chứng qua nhiều nghiên cứu của nhiều tác giả

Theo kinh nghiệm của nhiều dự án đã được thực hiện trên thế giới cho thấy, TB có thể kết hợp thành công với XM sử dụng để gia cố đất, cải thiện cường độ của đất TB kết hợp với XM có thể dùng để gia cố nền đường, ổn định mái dốc ta luy trong xây dựng đường

1.5.2 Yêu cầu đối với vôi khi gia cố đất

Vôi dùng để gia cố đất tốt nhất là vôi sống hoặc vôi thủy hóa

Vôi bột nghiền: Vôi sống (CaO) là loại vôi sau khi nung không bị ảnh hưởng của độ ẩm được sản xuất bằng cách nghiền ngay (hoặc được bảo quản không bị ẩm) đóng thành bao kín Vôi sống dùng để gia cố đất có hiệu quả nhất vì hoạt tính mạnh;

Dựa vào tính chất của đất tại địa phương, tác giả sử dụng vôi bột nghiền

- Có tính toàn khối cao

- Có cường độ và tính ổn định nước cao

- Giảm ứng suất phân bố xuống nền đất nên giảm được độ võng chung của kết cấu nền mặt đường dưới tác dụng của tải trong xe

- Lớp đất gia cố không bị xói mòn cũng như bị nhiễm bẩn từ đất nền phía dưới

- Làm tăng cường độ và độ bền của hỗn hợp gia cố, cho phép dử dụng nguồn vật liệu không hợp chuẩn tại địa phương

- Giảm chi phí xây dựng và giảm thiểu tác hại đến môi trường

* Nhược điểm:

- Thời gian thi công phụ thuộc vào thời gian ninh kết Thường phát sinh khe nứt và xảy ra hiện tượng nứt phản ảnh khi bố trí làm lớp móng trên Khả năng chịu bào mòn kém, dễ bị bong bật khi sử dụng làm lớp mặt

- Khi sử dụng vật liệu này làm móng đường ô tô cần lưu ý về điều kiện thi công và đảm bảo thời gian bảo dưỡng để hỗn hợp hình thành cường độ trước khi rải các lớp trên Nếu sử dụng làm mặt đường cấp thấp, cần có lớp láng nhựa hay một loại vật liệu gia cố bề mặt để làm lớp bảo vệ và tăng hệ số nhám của bề mặt

1.5.3.2 Đất gia cố xi măng kết hợp vôi

* Ưu điểm:

- Mặt đường này có cường độ tăng dần theo thời gian, có tính toàn khối

và độ ổn định tương đối tốt

- Sử dụng được vật liệu tại chỗ là đất

- Có thể cơ giới hóa toàn bộ khâu thi công và giá thành thấp

* Nhược điểm:

- Thi công dễ gây ô nhiễm

- Thời gian hình thành cường độ rất dài

- Không thông xe được ngay khi thi công

1.6 Kết luận chương 1

Nhiều năm qua, bằng các nguồn vốn khác nhau, huyện Châu Thành tỉnh Tây Ninh đang tập trung hoàn thiện cơ sở hạ tầng kỹ thuật, hệ thống đường xá đặc biệt là chương trình nông thôn mới Mỗi năm, huyện đã đầu tư nhiều tỷ

đồng cho việc nâng cấp, cải tạo các tuyến đường cũ và xây dựng mới các công trình giao thông nhằm đẩy nhanh tốc độ đưa huyện phát triển Song do chi phí suất đầu tư xây dựng tương đối cao, nguồn vật liệu được sử dụng trong xây dựng hầu như đều được vận chuyển với cự ly xa và ngày càng khan hiếm Một bài toán đặt ra là làm sao để nâng cao chất lượng công trình giao thông mà vẫn hạ được giá thành đầu tư và ít phải sử dụng đến các loại vật liệu truyền thống đang ngày càng trở lên khan hiếm, nếu tận dụng được nguồn vật liệu đất tại chỗ sẽ có ý nghĩa rất lớn giải quyết được bài toán trên

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐẤT GIA CỐ XI

MĂNG ĐỂ LÀM MÓNG, LỚP MẶT ĐƯỜNG GTNT

Ở HUYỆN CHÂU THÀNH 2.1 Các yêu cầu chung

Trước khi gia cố đất làm vật liệu xây dựng phải làm các thí nghiệm, cần làm các chỉ tiêu sau:

- Tính chất lý hóa của đất: thành phần hạt, chỉ số dẻo, hàm lượng hữu cơ,

độ Ph, các muối hòa tan, thành phần khoáng

- Tính chất cơ lý hóa của chất kết dính vô cơ hoặc hóa chất

- Tính chất cơ lý của hỗn hợp đất và chất kết dính: độ ẩm tốt nhất, khối lượng thể tích khô lớn nhất, độ bền nén, độ bền kéo khi uốn, mô đun đàn hồi,

độ ổn định đối với nước và độ hút nước

- Trên cơ sở của số liệu thí nghiệm có xét tới các nhân tố ảnh hưởng của điều kiện thiên nhiên ở khu vực xây dựng cần chọn liều lượng chất kết dính hợp lý và phương pháp gia cố thích hợp để đảm bảo độ bền theo yêu cầu, độ

ổn định khi cần thiết và chọn phương pháp tổ chức thi công phù hợp với điều kiện thực tế của vật liệu và thiết bị sẵn có

- Để đảm bảo cho việc gia cố đạt hiệu quả cao và thi công thuận lợi, việc

sử dụng một hay nhiều chất kết dính hay chất phụ gia, hóa chất để gia cố đất phải dựa theo kết quả thí nghiệm, trong trường hợp này cần phải so sánh kinh

tế - kỹ thuật và điều kiện áp dụng để lựa chọn một phương án thích hợp nhất

2.2 Vật liệu chế tạo đất gia cố xi măng:

Như chúng ta đã biết, vật liệu chủ yếu để làm nền móng đường ô tô là đất Thành phần hóa lý của đất rất phức tạp vì thế tính chất của đất phụ thuộc vào tỷ lệ các thành phần hạt, vật liệu khoáng và độ ẩm của đất

Đất là sản phẩm của quá trình phong hóa đá gốc, dưới tác dụng của các tác nhân vật lý, hóa học, sinh học… trong một quá trình lâu dài mà đá bị vỡ vụn thành các mảnh nhỏ, phân tán đi xa nhờ dòng nước và gió, cuối cùng trầm tích ở nơi nào đó mà tạo thành đất Trong đất, ngoài khoáng vật nguyên sinh còn có những khoáng vật thứ sinh được tạo ra trong quá trình hình thành đất Khoáng vật thứ sinh có tính chất khác hẳn so với khoáng vật ban đầu của đá gốc

Ở trạng thái tự nhiên, đất bao gồm nhiều pha hợp thành: pha rắn (hạt khoáng), pha lỏng (nước) và pha khí (không khí trong lỗ rỗng)

Thành phần khoáng vật là một trong những đặc trưng quan trọng của pha rắn, nó không những ảnh hưởng đến hình dạng, kích thước của các hạt đất mà còn ảnh hưởng đến sự tương tác giữa pha rắn và pha lỏng, đặc biệt là đối với các hạt phân tán nhỏ, do đó ảnh hưởng rất lớn đến đặc điểm, tính chất và cường độ mối liên kết giữa các hạt rắn Pha rắn và pha lỏng tác dụng tương hỗ mật thiết với nhau tạo nên các đặc tính kỹ thuật của khối đất, khi

số lượng và thành phần hóa học của pha lỏng thay đổi thì tính chất của khối đất hoàn toàn thay đổi

Tác giả lấy mẫu đất ngẫu nhiên ở 3 vị trí khác nhau về phân tích trong phòng thí nghiệm kết quả đất loại sét (á sét, sét) Đặc điểm quan trọng chung của các loại đất sét, dù có quá trình hình thành khác nhau, thành phần hạt, thành phần khoáng vật và hóa học khác nhau là: khi bị ẩm chúng có thể biểu hiện một số tính chất đặc trưng của hệ keo

Thông thường hàm lượng các hạt nhỏ có kích thước 0,001- 0,005 mm (hạt keo sét) và nhỏ 0,001 (hạt keo) chứa trong đất giữ vai trò đáng kể trong việc hình thành các tính chất của đất

Nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng đất sét bao gồm 3 loại khoáng vật chính như sau: Ilít, Kaolinit, Montmoriolit Trong số đó thì khoáng vật Montmoriolit đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình tương

tác với các vật chất mới được đưa từ bên ngoài vào Các nghiên cứu lý thuyết cũng như thực tiễn đã khẳng định: đất sét ở điều kiện tự nhiên rất kém ổn định và dễ biến dạng dưới tác động của tải trọng Tuy nhiên, do đặc thù của đất (hệ phân tán, tính chất keo) đất sét ở trạng thái khô có cường độ cao nhưng khi bão hòa nước, các tính chất trên bị giảm nhanh, còn lại không đáng kể

Đất có nhiều dạng khác nhau do quá trình hình thành khác nhau về hình thành phần khoáng vật cũng như kích thước các hạt Đặc điểm chung của các hạt mịn trong đất là khi hút ẩm, chúng có tính chất đặc trưng của hệ keo Nếu tỷ lệ hạt nhỏ (sét, keo) trong đất lớn, chúng có những đặc điểm như: có tính dính nhớt, trao đổi ion, tính hấp thụ, khả năng keo tụ và mức độ háo nước cao

Đất ẩm là một hệ phân tán, môi trường là dung dịch và lỗ rỗng Mà hệ phân tán nào cũng có một trị số năng lượng bề mặt (năng lượng bề mặt là tích số giữa tổng diện tích bề mặt và trị số sức căng bề mặt) Thành phần hạt nhỏ trong đất chiếm tỉ lệ rất cao, như vậy tổng diện tích bề mặt các hạt lớn

và do đó năng lượng bề mặt cao Điều này rất quan trọng trong việc điều chỉnh quá trình tác dụng tương hỗ và quá trình hình thành cấu trúc trong gia

cố đất

Các loại đất dùng làm nền, móng đường là các loại đất có cường độ cao,

có độ ổn định với nước tốt Hầu như các loại đất không chứa tạp chất đều có thể làm nền móng đường Trừ các loại đất chứa muối vượt quá giới hạn cho phép

Trong thực tế không phải nơi nào cũng có các loại đất đá có các chỉ tiêu

cơ lý phù hợp để làm nền móng đường Vì vậy để tận dụng được nguồn vật liệu sẵn có tại chỗ này thì biện pháp tốt nhất là gia cố, cải tạo các đặc trưng của đất cho phù hợp với yêu cầu xây dựng đường để đất và vật liệu hạt sau khi được gia cố trở thành vật liệu có tính toàn khối, với các phân tích thuận

lợi và khó khăn ở phần đầu, tác giả đưa ra giải pháp xi măng gia cố đất, bên cạnh nhằm tối ưu hóa tác giả cũng sử dụng kết hợp thêm chất phụ gia như tro

bay và vôi để gia cố đất

2.2.1 Yêu cầu đối với đất

Đất dùng để gia cố xi măng trước hết phải là các loại đất được phép dùng

để đắp nền đường (theo tiêu chuẩn TCVN 9436:2012 Nền đường ô tô- Thi công và nghiệm thu)

Các loại đất sau đây không dùng để gia cố:

- Đất bùn, đất lẫn than bùn (nhóm A8 theo AASHTO M145);

- Đất mùn lẫn hữu cơ có thành phần hữu cơ quá 10%, đất có lẫn cỏ và rễ cây, lẫn rác thải sinh hoạt ( theo AASHTO T267-86);

- Đất lẫn các thành phần muối dễ hòa tan quá 5% (xác định theo TCVN 7572- 15:2016);

- Đất sét có độ trương nở cao vượt quá 3%;

- Đất sét nhóm A-7-6 ( theo AASHTO M145) có chỉ số nhóm từ 20 trở lên;

- Độ pH<4 (xác định theo TCVN 4506:2012);

- Không nên dùng loại đất có giới hạn chảy lớn hơn 45, chỉ số dẻo Ip lớn hơn 27 và lượng hạt sét quá 30% để gia cố xi măng

2.2.2 Yêu cầu đối với xi măng

- Xi măng thường dùng trong đất gia cố xi măng là các loại xi măng Pooclăng có các đặc trưng kỹ thuật phù hợp với các quy định tại TCVN 2682:2009 hoặc xi măng Pooclăng hỗn hợp có các đặc trưng kỹ thuật phù hợp với các quy định tại TCVN 6260:2009

Yêu cầu xi măng dùng để gia cố đất có mác từ 30 Mpa trở lên

- Tùy thuộc vào các chức năng của các lớp kết cấu và trên cơ sở số liệu thí nghiệm có thể sử dụng các loại xi măng có mác nhỏ hơn 30 Mpa (xi măng xuống cấp, xi măng địa phương) để gia cố đất Xi măng mác thấp chỉ nên dùng để gia cố với đất làm lớp dưới của móng hoặc làm móng của mặt đường cấp thấp Để đảm bảo điều kiện thi công, thời gian bắt đầu ninh kết của xi măng không được nhỏ hơn 2 giờ và thời gian ninh kết xong không lớn hơn 12 giờ

2.2.3 Yêu cầu đối với phụ gia hoạt tính:

Khi dùng loại đất ít có hiệu quả hoặc không phù hợp với yêu cầu gia cố thì dùng thêm các chất phụ gia để dễ thi công, giúp cho điều kiện biến cứng đạt độ bền cao Tùy thuộc vào tính chất đất mà có thể dùng một hoặc nhiều chất phụ gia như voi, tro bay…

2.2.4 Yêu cầu đối với nước:

Nước dùng để trộn và bảo dưỡng hỗn hợp đất gia cố phải thỏa mãn TCVN 4506:2012, nồng độ pH không nhỏ hơn 4 và không lớn hơn 12,5, hàm lượng ion sunphat không quá 2700 mg/lít và hàm lượng muối không quá 10.000 mg/lít

2.3 Phương pháp nghiên cứu và các tiêu chuẩn đã sử dụng

Phương pháp nghiên cứu tác giả đưa ra trong đề tài này là nghiên cứu lý thuyết tìm hiểu qua các tài liệu, Qui trình, Tiêu chuẩn hiện hành và kết hợp nghiên cứu thí nghiệm trong phòng nhằm đưa ra kết quả tối ưu nhất

2.3.1 Phương pháp xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất

2.3.1.1 Xác định khối lượng thể tích khô lớn nhất và độ ẩm tốt nhất

Độ ẩm của mẫu được xác định theo công thức sau:

(2.1) Trong đó:

W : là độ ẩm của mẫu, %

A : là khối lượng của mẫu ướt và hộp giữ ẩm (g), cân chính xác đến 0,01g

B : là khối lượng của mẫu khô và hộp giữ ẩm (g), sau khi sấy tại nhiệt độ

110  50C đến khi khối lượng không đổi, cân chính xác đến 0,01g

C : là khối lượng của hộp giữ ẩm (g), cân chính xác đến 0,01g

Khối lượng thể tích ướt của mẫu được tính theo công thức sau:

Trong đó:

w : khối lượng thể tích ướt của mẫu, g/cm3

M1 : khối lượng của mẫu và cối (g); M là khối lượng của cối, g

V : Thể tích của cối, cm3

Khối lượng thể tích khô của mẫu tínhtheo công thức sau:

(2.3) Trong đó:

W : là độ ẩm của mẫu, %

k : là khối lượng thể tích khô của mẫu, g/cm3

w : là khối lượng thể tích ướt của mẫu; g/cm3

Vẽ đồ thị quan hệ độ ẩm - khối lượng thể tích khô; với loạt 5 mẫu đã đầm

sẽ có loạt 5 cặp giá trị độ ẩm - khối lượng thể tích khô tương ứng Biểu diễn

các cặp giá trị này bằng các điểm trên biểu đồ quan hệ độ ẩm - khối lượng thể

tích khô, trong đó trục tung biểu thị giá trị khối lượng thể tích khô và trục

hoành biểu thị giá trị độ ẩm Vẽ đường cong trơn nhẵn các điểm trên đồ thị

k =

100 w

(W+100)

lấy đựơc giá trị cực đại trên biểu đồ quan hệ ứng với giá trị trên trục tung có

k lớn nhất, trên trục hoành là W tốt nhất

2.3.1.2 Thí nghiệm xác định thành phần hạt (TheoTCVN 4198:2012)

Mẫu đất thí nghiệm đã được hong khô gió, rải thành một lớp mỏng lên tấm cao su đã lau sạch, dùng dụng cụ bằng gỗ nghiền sơ bộ cho đất tơi vụn ra; trộn đều rồi rút gọn mẫu bằng phương pháp chia tư (dàn mỏng mẫu đất rồi xẻ hai đường vuông góc với nhau đi qua tâm đống đất, sau đó lấy hai phần đối diện nhau làm thành một mẫu) Mẫu được rút gọn như vậy nhiều lần cho tới khi còn khối lượng phù hợp (300g với đất có chứa đến 10% cỡ hạt 2mm) thì lấy mẫu đại diện để làm thí nghiệm

Các bước tiến hành:

Lấy mẫu đất đã được chuẩn bị như trên, cân khối lượng mẫu đất m0 với

độ chính xác đến 0.01g

Lắp bộ sàng có kích thước lỗ lớn nhất thích hợp với cỡ hạt to nhất có trong mẫu đất thí nghiệm theo thứ tự kích thước lỗ nhỏ dần từ trên xuống vào ngăn đáy; đổ mẫu đất vào sàng trên cùng, rồi sàng bằng tay hoặc bằng máy, thời gian sàng lắc tối thiểu là 10 phút Khi sàng mẫu đất có khối lượng lớn hơn 1000 g thì nên đổ đất vào sàng thành hai đợt

Với từng nhóm hạt còn lại trên các sàng bắt đầu từ sàng trên cùng, nếu trong mẫu đất có các hạt cuội, sỏi to hoặc đá tảng thì dùng bàn chải cứng quét các hạt nhỏ bám trên bề mặt cho đến sạch, nếu không có hạt to thì đổ phần đất trên sàng vào cối dùng chày bọc cao su để nghiền, tiếp tục cho sàng qua chính sàng đó đến khi không còn hạt đất nào rơi xuống nữa Cứ như vậy cho đến sàng cuối cùng

Cân khối lượng từng nhóm hạt trên các cỡ sàng và phần lọt xuống ngăn đáy (lọt sàng 0,1 mm)

Biểu thị kết quả: