Việc nghiên cứu được thực hiện trên các loại đất nhân tạo bao gồm một phần cát vμ một phần sét, nhằm biết được các khả năng cơ học nhận được sau khi xử lý bằng vôi, xi măng hay vôi + x
Trang 1Gia cố đất
Đặng thuỳ chi
Bộ môn Vật liệu - Xây dựng - ĐH GTVT Tóm tắt: Bμi báo nμy trình bμy các kết quả nghiên cứu về gia cố đất bằng vôi vμ xi măng;
thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2002, tại Học viện khoa học ứng dụng quốc gia, thμnh
phố Rennes, cộng hòa Pháp Việc nghiên cứu được thực hiện trên các loại đất nhân tạo bao
gồm một phần cát vμ một phần sét, nhằm biết được các khả năng cơ học nhận được sau khi xử
lý bằng vôi, xi măng hay vôi + xi măng của các hỗn hợp cát – sét Kết quả thí nghiệm cho phép
xác định loại hay những loại gia cố thích hợp nhất cho từng loại hỗn hợp vμ cường độ ở tuổi
muộn của chúng
Summary: This article presents the results of treatment of soils with lime and cement;
from February to June, 2002, at National Institut of Sciences of Application, Rennes, France
The study is realised on some kinds of artificial soils composed of sand and clay, which aims to
know the mechanical performances obtained by treatments with lime, cement and mixed limes
+ cement for various sand-clay mixtures The results of the tests make it possible to determine
the best treatments which adapt to each material and their long-term resistances
1 Mở đầu
Đất cát và đất sét được xem là những vật
liệu xấu trong lĩnh vực xây dựng đường ô tô do
những tính chất kỹ thuật của chúng Sét rất
nhạy cảm với nước còn cát thì khó đầm chặt
Ngược lại, nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ rằng
đất cát pha sét dễ dàng thao tác hơn do cải
thiện được các tính chất của chúng nhờ xử lý
bằng chất kết dính vô cơ
Việc xử lý bằng vôi hoặc xi măng cải
thiện các đặc trưng địa kĩ thuật của các loại
đất này ngay lập tức hoặc sau một thời gian
dài nhờ tác động của chất kết dính đến các
hạt cát và sét Các phương pháp này được áp
dụng cho nền đường, đôi khi với lớp móng áo
đường, cũng như trong lĩnh vực xây dựng nhà
Việc gia cố đất là một thao tác tốn kém đòi hỏi
một tiền nghiên cứu trong phòng thí nghiệm
để đánh giá hiệu quả của nó trước khi thi công
tại công trường
Đất sét pha mịn chủ yếu được xử lý bằng
vôi Đất cát sạch thường được gia cố bằng xi
măng Trong trường hợp đất cát pha sét, cần thực hiện việc xử lý bằng vôi hay xi măng? Để lựa chọn cách thức gia cố thích hợp, cần thực hiện các thí nghiệm trong phòng nghiên cứu Thực nghiệm chứng tỏ rằng hàm lượng sét của cát xác định loại và hỗn hợp chất kết dính
2 Tổng quát về gia cố đất
Gia cố đất là cải thiện các tính chất của
nó bằng cách thêm vào những sản phẩm hóa học, rồi đầm chặt (gia cố hoá học kết hợp cơ học) Việc gia cố có thể tiến hành với các chất kết dính vô cơ, bitum, nhựa hoặc các sản phẩm khác
2.1 Các tác động lý – hóa học của chất kết dính đối với đất gia cố
• Xi măng: khi nhào trộn với đất ẩm, xi măng sẽ tác dụng với nước và tạo thành một
số các sản phẩm thủy hóa đã biết đến trong hóa học xi măng Đó là hyđrosilicat canxi
C - S - H từ C2S và C3S; Ca(OH)2; aluminat calcium C4AH13 từ C3A; sunpho-aluminat canxi ngậm nước (nhờ phản ứng của thạch cao với
Trang 2C3A), lúc đầu dưới dạng etringit
C3A.3SO4.Ca.31H2O, sau đó dưới dạng
monosunpho - aluminát C3A.SO4.Ca.12H2O
Khi đất gồm các hạt cát chứa rất nhiều
sét, quan sát thấy dưới kính hiển vi các sản
phẩm thủy hóa xi măng bao bọc và liên kết
các hạt với nhau Chúng tạo thành càng lúc
càng nhiều và càng rắn các loại cầu nối; theo
thời gian làm tăng cường độ, độ cứng, môđun
đàn hồi và các khả năng cơ học khác Đôi khi
xi măng còn đóng vai trò phụ trong việc điều
chỉnh cấp phối hạt
Ca(OH)2 tạo thành nhờ thủy hoá xi măng
có thể kết hợp với thành phần sét trong đất
Trong một số trường hợp, các hạt sét có thể
làm chậm sự ninh kết của xi măng do tạo
thành một lớp bao bọc xung quanh các hạt
Thành phần hoá học và khoáng vật của sét
cũng như số lượng của nó đóng vai trò cơ bản
trong các tương tác theo thời gian giữa sét và
xi măng
• Vôi: việc xử lý bằng vôi sống CaO hoặc
vôi tôi Ca(OH)2 thực hiện trong trường hợp đất
mịn chứa sét Vôi sống làm mất nước và kết
bông sét sau vài giờ Sự mất nước, phụ thuộc
vào số lượng và chất lượng vôi, tạo thành do
nhiều nguyên nhân Đó là do phản ứng hóa
học với vôi sống, sự hấp phụ nước của bột vôi
khô, sự bay hơi nước khi nhào trộn đất và do
nhiệt lượng toả ra từ phản ứng thủy hóa vôi
Vôi thêm vào đất sét ẩm chứa một tỉ lệ
lớn các ion Ca++ và OH- Độ pH có thể lên đến
hơn 12, do đó các thành phần silic trong dung
dịch có thể kết hợp từ từ với vôi Các loại cầu
nối giữa các hạt tạo thành ngay sau vài giờ
Chúng nối giữa các phần sét mịn và phân tán:
đó là sự kết bông của sét Trạng thái kết bông
này tạo điều kiện cho việc nhào trộn và đầm
chặt Các hạt kết tụ ổn định, ít nhạy cảm với
nước và có cường độ cơ học cao
Việc thêm vôi sống hoặc vôi tôi có thể cải
thiện cường độ ở tuổi muộn Vôi kết hợp từ từ
với các thành phần của sét và tạo thành những hyđrat dạng CSH (nhờ phản ứng với silic của sét) hoặc dạng CAH (nhờ phản ứng với alumin của sét)
Kết quả là về mặt tính chất đất gia cố tăng độ dính bám, độ bền, mô đun biến dạng, cường độ cơ học, cường độ gen; ít biến đổi thể tích (co ngót, trương nở) và mức độ nhạy cảm khi ngập nước giảm
2.2 Tác dụng của việc đầm nén đất
Mục đích của nó nhằm làm giảm lỗ rỗng, làm chặt cấu trúc và kết quả là tăng khối lượng thể tích khô của đất Sau thao tác này,
đất ít biến dạng hơn, ổn định hơn (góc nội ma sát và độ dính bám cao hơn), khả năng chịu nén cao và ít nhạy cảm với nước
3 Kĩ thuật nghiên cứu
Đất sử dụng bao gồm một loại cát và một loại sét Cát được lấy ở công trường La Freslonnière, cạnh thành phố Rennes Còn sét là một loại cao lanh thương mại (Quality China Clay)
3.1 Lựa chọn qui trình thí nghiệm
• Chọn hỗn hợp cát–sét: Hai lô đất cát-sét được tạo thành bởi các hỗn hợp 80% cát– 20% sét (kí hiệu 80S), 60% cát–40% sét (kí hiệu 60S) Hỗn hợp 60S nhằm tạo ra một lượng sét lớn hơn độ rỗng của cát (36%) và hỗn hợp 80S ứng với phần lớn các loại đất tự nhiên
• Chọn hàm lượng chất kết dính: Hàm lượng vôi, xi măng và vôi + xi măng được ấn
định bằng 6%, 8% và 10% so với khối lượng
đất khô chưa gia cố Trong trường hợp vôi + xi măng, hàm lượng của mỗi thành phần là như nhau Các hàm lượng này được lựa chọn hoàn toàn dựa trên các tiêu chí kinh tế thông thường khi xây dựng đường cũng như nhà trên đất gia
cố Xi măng sử dụng là xi măng poóc lăng (loại CEM – IB 32.5R của Pháp) Vôi dùng là
Trang 3loại vôi trắng, dạng bột có nguồn gốc thương
mại
• Chọn hàm lượng nước: Các hỗn hợp cát
- sét với tất cả các loại và lượng chất kết dính
đều được nhào trộn ở độ ẩm tối ưu
Proctor Normal của đất chưa gia cố
• Chọn nhiệt độ bảo quản: tất cả các loại
vật liệu gia cố được bảo quản trong 28 ngày
trong phòng giữ ở nhiệt độ cố định 200C Bảo
quản ở 600C: một lô mẫu gia cố vôi được đặt
trong lò sấy ở 600C trong 28 ngày
• Chọn kĩ thuật đầm nén đất: Proctor
Normal là thí nghiệm cơ bản về đầm nén vật
liệu, nhưng thí nghiệm này nặng và chậm, cần
rất nhiều vật liệu và có thể gây ra những vấn
đề về đồng nhất Do đó không thích hợp khi
nghiên cứu về các loại đất mịn trong phòng thí
nghiệm Các thí nghiệm cần nhanh, chính xác
trên các mẫu kích thước nhỏ Nghiên cứu này
thực hiện dựa trên kĩ thuật đầm nén tĩnh các
mẫu kích thước 50 x100 mm, bằng máy nén
ISTRON 4507 trang bị phần mềm chuyên
dụng ISTRON SERIE IX
Các mẫu được chế tạo trong một khuôn
hình trụ đặt trên đế bằng đồng thau nhờ nén
tĩnh với tốc độ là 4 mm/phút Tốc độ này được
lựa chọn nhằm có được một thí nghiệm nhanh
hơn thí nghiệm Proctor nhưng vẫn cho phép
phân bố tức thời ứng suất trong toàn bộ thể
tích mẫu (GUO – 1995) Dùng một pít tông
bằng đồng đường kính 50 mm để nén vật liệu
trong khuôn Do khuôn cứng nên không có
biến dạng ngang Mẫu chịu một ứng suất dọc
và quá trình nén được tiến hành theo đường
nén một trục
3.2 Quá trình gia cố đất
Đầu tiên, tiến hành thí nghiệm Proctor
Normal để biết khối lượng thể tích khô và độ
ẩm tối ưu của các hỗn hợp cát – sét Tiếp
theo, đất gia cố với các loại và lượng chất kết
dính khác nhau, được làm ẩm ở độ ẩm tối ưu
Proctor của hỗn hợp chưa gia cố, sau đó được
đầm tạo mẫu bằng máy nén Giai đoạn cuối cùng là nén vỡ để xác định cường độ, ngay sau khi đầm hoặc sau một thời gian bảo quản
28 ngày Mỗi lô đất gia cố được chế tạo thành
3 mẫu, kết quả được lấy trung bình sau khi loại bỏ mẫu sai khác quá 15%
Một lô mẫu 60S, gia cố 10% xi măng ở các độ ẩm khác nhau, được chế tạo để biết
được sự thay đổi của cường độ khi độ ẩm thay đổi
4 Kết quả thực nghiệm 4.1 ảnh hưởng của loại chất kết dính
đối với các hỗn hợp cát - sét
Bảng 1
Cường độ chịu nén trung bình (MPa) của các hỗn hợp khi bảo quản ở 20 0 C
60S 80S Loại gia cố Hàm
lượng Ngày
0
Ngày
28
Ngày
0
Ngày
28
6% 0,428 1,472 0,422 3,117
Xi măng 8% 0,363 2,667 0,439 4,021
10% 0,407 2,761 0,416 4,696 6% 0,473 1,257 0,516 1,889 8% 0,450 1,682 0,472 2,706 Vôi +
xi măng
10% 0,484 1,865 0,514 2,997 6% 0,508 0,938 0,458 1,259
10% 0,588 1,467 0,574 1,818
Các tỉ lệ trên cột ‘ngày 0’ của bảng 1 chứng tỏ rằng cường độ chịu nén của đất gia
cố vôi lớn hơn đất gia cố xi măng Các kết quả này có thể dẫn đến suy nghĩ rằng phản ứng của vôi nhanh hơn của xi măng Điều này ngược với các hiểu biết về các chất kết dính này Trên thực tế, sự tăng ban đầu của cường
độ không phải do các phản ứng hóa học của vôi Như các phép đo vật lý và phân tích hóa học của Perret (1977) và Abdo (1982) đã
Trang 4chứng minh, mức độ tiêu thụ vôi ban đầu vôi
bằng 0 Các phản ứng puzôlan chỉ xuất hiện
sau 5 ngày từ khi đầm chặt Sự tăng cường độ
ban đầu là do mất nước và kết bông của sét
Hơn nữa, cần chú ý rằng một năng lượng đầm
chặt lớn đã được tác dụng lên đất khi gia cố
vôi Điều này đảm bảo cải thiện độ chặt và
liên kết giữa các hạt
Việc so sánh các giá trị cường độ ngày
28 của ba loại đất gia cố (xi măng, vôi và vôi +
xi măng) chứng tỏ lại những hiểu biết truyền
thống của các loại chất kết dính này Các kết
quả lớn nhất nhận được sau khi xử lý bằng xi
măng Cường độ tăng từ 8 đến 62 lần so với
đất chưa gia cố Tác dụng của vôi nhỏ hơn so
với xi măng Tỉ lệ tăng cường độ độ từ 5 đến
24 lần Cuối cùng, quá trình gia cố hỗn hợp
cho các giá trị trung gian giữa hai loại chất kết
dính (tỉ lệ tăng cường độ biến đổi từ 7 đến 40 lần)
Cường độ chịu nén của đất 80S gia cố xi
măng được cải thiện rõ rệt ở tuổi ngày 28, đất
80S gia cố 10% xi măng đạt đến cường độ 4.7
MPa, bằng 1.7 lần đất 60S với gia cố cùng tỉ
lệ Kết quả này khẳng định lại nhận xét của
các tác giả khác: sự có mặt của sét với một tỉ
lệ lớn trong đất làm giảm các khả năng cơ học
của cát (Jigorel – 1992) Việc gia cố bằng xi
măng đặc biệt thích hợp hơn với các loại vật
liệu chứa ít sét
Ngược lại, độ tăng cường độ của đất gia
cố bằng vôi sau 28 ngày ở 200C không đáng
kể và không có sự khác biệt lớn về cường độ
giữa hai loại đất 60S và 80S (xem bảng 2)
Bảng 2
Các giá trị trung bình Rn (MPa) ngμy 28 của đất gia cố vôi
60S 80S Hàm lượng Rn ở
20 0 C
Rn ở
60 0 C
Rn ở
20 0 C
Rn ở
60 0 C
Kết quả này rất đáng chú ý vì thông thường gia cố vôi có thể thực hiện trong trường hợp đất mịn chứa sét, và đặc biệt thích hợp với đất chứa nhiều sét Hay hàm lượng sét trong đất càng cao (từ 0 đến 40%), cường
độ của đất càng cao (Istvan-1990) ở đây, cát
sử dụng chứa một lượng lớn các thành phần phong hóa (phenspat) Tất cả các hạt thạch anh đều bị bao phủ bởi một lớp dầy các hạt mịn sét chứa sắt Chất kết dính tiếp xúc với lớp phủ này, phản ứng với sét của hỗn hợp và lớp phủ sét chứa sắt của thạch anh Do đó, trong trường hợp này, cường độ chịu nén gần như độc lập với hàm lượng cát Khi đầm chặt, các thành phần phong hóa của vật liệu 80S bị
vỡ ra và cung cấp một tỉ lệ sét thêm vào phần sét của hỗn hợp
4.2 ảnh hưởng của hàm lượng chất kết dính
Kết quả giới thiệu trên hình 1 khẳng định lại các kết nghiên cứu trước đây về sự biến đổi của khả năng cơ học Cường độ chịu nén ngày 28 là một hàm tăng theo hàm lượng chất kết dính từ 6 đến 10% với mỗi loại chất kết dính và loại đất Cường độ tăng mạnh từ 6 đến 8% và ít rõ nét hơn khi chuyển từ 8 đến 10% Với trường hợp đất nhân tạo 60S, không tồn tại sự khác biệt rõ rệt về giá trị cường độ của
đất gia cố 8 và 10% xi măng
Khi cố định lượng nước ở tối ưu Proctor (15%), có sự thủy hóa không hoàn toàn chất kết dính Thời hạn của quá trình thực tập không cho phép thực hiện nhiều loại thí nghiệm ảnh hưởng của lượng nước được nghiên cứu trên loại đất 60S gia cố 10% xi măng ở 4 độ ẩm khác nhau: 15, 17, 19 và 21% Kết quả cho thấy cường độ tối đa đạt
được ở độ ẩm 17%, tăng 1.4 lần so với đất cùng loại gia cố 8% xi măng
4.3 ảnh hưởng của nhiệt độ
Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng các hiện tượng puzôlan được đẩy nhanh
Trang 5rõ rệt nhờ nhiệt độ Mức độ tiêu thụ vôi của
mẫu bảo quản ở nhiệt độ 600C trong 28 ngày
tăng tới 96% và cường độ của chúng có thể
xem như cường độ ở tuổi muộn Ngoài ra, sự
tăng nhiệt độ rắn chắc thúc đẩy mà không làm
thay đổi bản chất của các quá trình puzôlan
Hình 2 Đất gia cố vôi ở 20 0 C (trái) vμ 60 0 C (phải)
quan sát dưới kính hiển vi điện tử quét
– độ phóng 20 000 lần
Ngay sau khi gia cố, kết quả cao nhất nhận được với xử lý bằng vôi Ngược lại, sau
28 ngày thủy hóa ở nhiệt độ môi trường (20
Trên hình này có thể thấy, các sản phẩm mới sinh xuất hiện nhiều hơn rất nhiều trong trường hợp bảo quản ở 600C Mức độ hoạt
động bề mặt của các tinh thể sét dạng tấm với chất kết dính Cấu trúc tấm của vôi ở 600C đã thay đổi và kém rõ nét hơn Tinh thể có dạng hang động (giống như xi măng), tạo thành bởi phản ứng puzôlan
5 Kết luận chung
Kết quả chứng minh rằng cường độ cơ học tăng mạnh sau khi gia cố đất Mức độ tăng thay đổi từ loại đất sang loại đất khác, phụ thuộc loại và lượng chất kết dính Cường
độ cơ học tăng theo thời gian
0C), gia cố bằng xi măng cho cường độ chịu nén lớn nhất (từ 3.1 đến 4.7 MPa), cường
độ đất xử lý bằng vôi biến đổi chậm hơn nhiều (từ 1.3 đến 1.8 MPa) Trong mọi trường hợp,
đất gia cố hỗn hợp cho các giá trị trung gian Sau 28 ngày rắn chắc ở 600C, cường độ đất gia cố vôi (có thể xem là cường độ ở tuổi muộn) tăng mạnh, đạt đến 5 MPa, 6 MPa và 8 MPa ứng với các hàm lượng chất kết dính là 6%, 8% và 10%
0
1
2
3
4
Hàm lượn
Rn (MPa)
0 2 4 6
Hàm lượn
g
xi măng vôi + xi măng vôi ở 20°C
(%)
Rn (MPa)
Hình 1 Cường độ ngμy 28 ở 20 0 C của hỗn hợp 60S (trái) vμ 80S (phải)
Trang 6Tỉ lệ sét có một ảnh hưởng rõ rệt đến
hiệu quả của quá trình gia cố Trước khi xử lý,
cường độ đất chứa 80% cát – 20% sét nhỏ
hơn của đất 60% cát – 40% sét Ngược lại, giá
trị cường độ của đất 80S ở tất cả các loại và
hàm lượng chất kết dính luôn lớn hơn của đất
60S, điều này chứng tỏ hiệu quả vượt trội của
việc gia cố ngay cả với các loại đất chứa ít sét
Các kết quả thí nghiệm cho phép định
hướng lựa chọn chất kết dính khi gia cố đất
cát- sét Gia cố bằng xi măng cho phép nhận
được cường độ cơ học lớn ở tuổi sớm (28
ngày) trong khi gia cố bằng vôi cho kết quả ở
tuổi muộn (1 năm) Do đó, quá trình gia cố
được lựa chọn tùy theo mục đích tìm kiếm
Trong tất cả các trường hợp, gia cố hỗn hợp,
xi măng và vôi, với những tỉ lệ cố định, dường
như đặc biệt thích hợp cho đất cát pha sét
Gia cố vôi cho phép giảm ngay lập tức
(nếu cần) hàm lượng nước của vật liệu ẩm và
làm cho quá trình thi công được dễ dàng
Ngoài ra, phản ứng của vôi rất chậm và lâu
Vật liệu có thể cố kết lại sau khi xuất hiện
những biến dạng mới Do đó, về mặt này, vôi
cho thấy những ưu điểm không thể phủ nhận
so với xi măng, chất kết dính chỉ có một giai
đoạn thủy hóa và cố kết
Gia cố bằng xi măng nhìn chung thích
ứng với đất cát trong khi gia cố bằng vôi được
xem như phù hợp hơn với đất sét pha mịn
Các thí nghiệm của tôi chứng tỏ gia cố vôi
hoặc hỗn hợp cũng nhận được các kết quả
cao với đất chứa rất nhiều cát (80%) Trong
trường hợp này, sự cố kết phụ thuộc vào bản
chất và tỉ lệ hạt mịn trong cát Cát kỉ plioxen
của vùng Rennes có lớp phủ mịn sét chứa sắt,
độ hoạt tính cao rất thích hợp cho việc gia cố
Các hạt thạch anh trong cát không còn được
xét như những tinh thể silic kém hoạt tính
Quặng sét chứa sắt trong đất dính bám tốt với
các hạt tạo thành một bề mặt hoạt tính cao
mà ứng xử của nó gần giống với sét Rất nhiều loại cát có lớp phủ sét chứa sắt như vậy Trong trường hợp này, cần nghĩ tới việc gia cố bằng vôi hoặc hỗn hợp vôi + xi măng Tỉ lệ chất kết dính được xác định bởi các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm
Tóm lại, các thí nghiệm chứng tỏ rằng cường độ cần thiết có thể nhận được sau khi gia cố các loại đất xấu Việc gia cố bằng vôi cho phép cải thiện một cách hiệu quả khả năng cơ học của đất ngay cả với các loại đất chứa nhiều cát Nó đảm bảo cố kết sau một giai đoạn khá dài, đồng thời tránh được sự hóa già sớm của công trình
Trên thực tế, cường độ cơ học nhận được sau khi gia cố ở các hàm lượng chất kết dính nhỏ hơn 10% luôn thoả mãn khi sử dụng đất cát – sét cho nền đường (Rn > 2 MPa) Rất nhiều loại cát mịn chứa ít nhiều sét cũng có thể được sử dụng cho lớp móng của áo
đường
Tài liệu tham khảo
[1] ABDO J (1982) Nghiên cứu thực nghiệm gia cố
cát granít bằng vôi, Luận án tiến sĩ, ĐH Tổng hợp Paris VI và ENSM – Paris
[2] ISTVAN C (1990) ứng xử địa chất của cát pha
sét: hiệu quả của gia cố vôi, Luận án tiến sĩ, ENSM Paris và INSA Rennes
[3] JIGOREL A (1992) Nghiên cứu địa chất đất
Oissel gia cố xi măng, Báo cáo của Phòng nghiên cứu xây dựng, khoáng vật và địa kĩ thuật, INSA Rennes
[4] L.C.P.C et SETRA (1992) Thi công nền đường
và móng áo đường, Hướng dẫn kĩ thuật, 2 tập
[5] PERRET P (1977) Nghiên cứu gia cố đất mịn
bằng vôi: các hiện tượng tổng quát và ứng dụng, Luận án tiến sĩ, INSA Rennes
[6] VENUAT M (1980) Gia cố đất bằng vôi và xi
măng Ă
