Báo cáo nμy giới thiệu những kết quả nghiên cứu xác định hμm lượng nhũ tương, xi măng hợp lý trong công nghệ gia cố tổng hợp cấp phối sỏi ong laterite bằng nhũ tương nhựa vμ xi măng nhằ
Trang 1Xác định hμm lượng nhũ tương, xi măng hợp lý
trong công nghệ gia cố tổng hợp cấp phối
Laterite bằng nhũ tương vμ xi măng
pgs ts Trần tuấn hiệp
Đại học Giao thông Vận tải
ths châu thị lê
Sở GTVT Bình thuận Tóm tắt: Cấp phối sỏi ong (Laterite) lμ một loại vật liệu địa phương có ở hầu khắp các địa
phương trong cả nước vμ được áp dụng rất phổ biến trong xây dựng đường ô tô, đặc biệt lμ mặt
đường nông thôn Tuy nhiên loại mặt đường bằng vật liệu nμy có nhược điểm: thường trơn lầy
về mùa mưa, bụi nhiều về mùa nắng, lμm ảnh hưởng lớn đến chất lượng vận tải, môi trường Báo cáo nμy giới thiệu những kết quả nghiên cứu xác định hμm lượng nhũ tương, xi măng hợp
lý trong công nghệ gia cố tổng hợp cấp phối sỏi ong (laterite) bằng nhũ tương nhựa vμ xi măng nhằm nâng cao cường độ, độ ổn định của loại vật liệu quý nμy trong xây dựng đường ô tô
Summary: Laterite aggregate is a local material being and have been popularly using on
almost locations in Vietnam for road construction, specially, in rural road pavement building However, it is limited that: surfaces made of this material may be occured skid, muddy in rainy, dusty in dry season, which considerably influence on traffic quality and environment This work presents the achievement on researching compound stability of laterite aggregate by emulsion and cement to increase its strength & stability in road construction
1 Đặt vấn đề
Cấp phối sỏi đỏ, cấp phối sỏi ong (laterite) là một loại vật liệu địa phương có mặt ở hầu khắp các nước trên thế giới và ở Việt nam, được dùng phổ biến để xây dựng nền, móng, mặt
đường Tuy nhiên qua sử dụng, mặt đường cấp phối sỏi đỏ cũng biểu lộ một số nhược điểm: chịu mài mòn kém, ít ổn định với nước, mùa mưa dễ bị trơn lầy, mùa khô rất nhiều bụi Có những vùng ở miền núi Nghệ An, Thanh Hoá, Hà tĩnh, Ninh Thuận, Bình Thuận, Tây nguyên cây cối vườn tược, nhà cửa bị phủ đặc màu vàng của bụi đất Điều đó làm ảnh hưởng lớn đến chất lượng phục vụ vận tải, an toàn giao thông và môi trường
Để khắc phục những nhược điểm trên, từ rất lâu, ở trong nước và trên thế giới người ta đã dùng nhiều biện pháp từ đơn giản như tưới nước bảo dưỡng về mùa khô, tạo mui luyện thoát nước tốt mặt đường về mùa mưa, đến những biện pháp kỹ thuật như gia cố cấp phối sỏi đỏ bằng các chất liên kết vô cơ, hữu cơ như vôi, xi măng, nhựa đường, guđrông Gần đây ở nước ta xuất hiện một số chất phụ gia thương phẩm có xuất xứ từ Mỹ, Đài Loan, úc như Connet, Permazyme, Compacto nhưng qua thực tế thử nghiệm áp dụng vẫn chưa cho được kết quả mong muốn
Tựu trung lại vật liệu cấp phối sỏi đỏ có ưu điểm là phân bố ở hầu khắp các địa phương có thể sử dụng như một loại vật liệu tại chỗ rẻ tiền cho xây dựng nền, móng, mặt đường ô tô có
Trang 2cường độ khá cao Tuy nhiên cần có giải pháp làm sao để cấp phối sỏi đỏ ổn định được với nước, chống trơn lầy về mùa mưa, chống được bụi về mùa nắng
Trên thực tế, khả năng cung ứng vật liệu chất kết dính, đặc biệt sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp xi măng, sự ra đời các nhà máy sản xuất nhũ tương nhựa ở Việt nam đã là cơ sở cho việc nghiên cứu gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ bằng nhũ tương nhựa và xi măng nhằm phát huy và phối hợp được đặc tính ưu việt của các loại vật liệu dính kết Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm trong phòng, thực nghiệm hiện trường và đã thu được kết quả khả quan Bài báo này giới thiệu kết quả thực nghiệm trong phòng xác định hàm lượng hợp lý của xi măng và nhũ tương dùng gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ
2 Cơ sở lý luận vμ thực tiễn của giải pháp gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ bằng xi măng vμ nhũ tương nhựa
2.1 Cơ sở lý luận
Phương pháp gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ bằng xi măng và nhũ tương nhựa có tác dụng làm cho cấp phối gia cố tăng được khả năng chống biến dạng, ổn định với nước và đồng thời chống bụi Khi gia cố tổng hợp cấp phối bằng xi măng và nhũ tương, trong đất sẽ xảy ra đồng thời hai quá trình hỗ trợ nhau: một mặt các hạt xi măng lấy phần nước từ nhũ tương để hydrat hóa và nhờ điều kiện ẩm đó mà hóa cứng; mặt khác vì nước trong nhũ tương được lấy đi, nhũ tương có điều kiện được phân tách, tạo thành màng nhựa bao bọc các hạt đất Các màng nhựa bao bọc các kết thể đất xi măng được hydrat hóa càng làm tăng thêm hiệu quả của quá trình gia
cố xi măng, làm tăng khả năng ổn định nước và nhờ màng nhựa mà làm tăng khả năng chống
ăn mòn, chống bụi cho mặt đường trong quá trình khai thác
Đất gia cố riêng bitum lỏng rất dẻo và dễ hóa mềm ở nhiệt độ lớn hơn 400C; do đặc điểm này đất gia cố thuần túy bitum không được dùng làm móng trực tiếp dưới lớp mặt bê tông nhựa nóng Đất gia cố xi măng thường có cường độ cao nhưng rất dễ bị bào mòn, lắm bụi nên không thể trực tiếp dùng làm lớp mặt
Lớp vật liệu cấp phối sỏi đỏ gia cố tổng hợp nhũ tương nhựa và xi măng đã kết hợp được
ưu điểm của từng loại hình gia cố riêng rẽ, khắc phục được các nhược điểm và do vậy có thể dùng làm móng và lớp mặt cho các tuyến đường nông thôn, tỉnh, huyện có lưu lượng xe không lớn
2.2 Cơ sở thực tiễn
- Hiện tại ở Việt Nam, các mỏ vật liệu cấp phối sỏi đỏ phân bố hầu khắp trên 50 tỉnh thành với trữ lượng lớn, chất lượng tốt, giá thành rẻ, thích hợp cho làm nền, móng, mặt đường ô tô, và thực tế ở Việt Nam có hàng vạn km đường ô tô có móng mặt đường bằng cấp phối sỏi đỏ yêu cầu phải được xử lý chống lầy về mùa mưa, chống bụi về mùa nắng
- Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp xi măng của Việt Nam phát triển rất mạnh
mẽ Các nhà máy xi măng với công suất trên 1, 5 triệu tấn/ năm với công nghệ hiện đại lần lượt
được lắp đặt và đưa vào hoạt động như Hoàng Thạch, Chinh Phong, Bỉm Sơn, Hoàng Mai, Nghi Sơn, Bút Sơn, Tam Điệp, Hà Tiên, Sao Mai v v Và hàng chục các nhà máy xi măng địa phương
Trang 3đã đưa sản lượng xi măng toàn quốc đạt tới 20 triệu tấn/ năm Giá xi măng ổn định, khả năng cung ứng lớn, ngành xi măng Việt Nam luôn tạo mọi điều kiện để kích thích tiêu thụ, đặc biệt với khối lượng lớn cho xây dựng hạ tầng giao thông vận tải
- Hiện tại ở cả ba miền Bắc, Trung, Nam đều có các nhà máy sản xuất nhũ tương nhựa với công nghệ hiện đại như nhà máy của công ty Tramexco (hợp tác với La Routiere Guyanaise (Pháp) sản lượng 5000T/năm; của công ty Cầu đường 1 (Đoàn Trần Nghiệp); Nhà máy tại Đà Nẵng sản lượng 1500T/năm
Tại thành phố Hồ Chí Minh: Hãng COLAS; sản lượng 3000T/năm
Tại Bà Rịa - Vũng Tàu: Công ty SIME - OSC: sản lượng 5000T/năm
Tại Cần Thơ (Tây Ban Nha): sản lượng 2500T/năm
Tại thành phố Hồ Chí Minh năm 1996 - 1997, Viện công nghệ Hóa thuộc trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia đã thiết lập cơ sở chế tạo nhũ tương trong nước với sản lượng 5000T/năm
Chất lượng nhũ tương đảm bảo tốt cho xây dựng đường ô tô Các nhà sản xuất nhũ tương cũng rất khuyến khích và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho các nhà tiêu thụ
Hiện nay có nhiều công trình xây dựng đường ở Việt Nam đã được trang bị đầy đủ các thiết
bị xe máy thi công tiên tiến cho phép thi công trộn đầm vật liệu với chất lượng cao
Từ những phân tích trên cho thấy Việt Nam hội đủ cơ sở lý luận và thực tiễn để áp dụng có hiệu quả giải pháp gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ bằng xi măng và nhũ tương nhựa đường
3 Thực nghiệm trong phòng xác định hμm lượng hợp lý của xi măng
vμ nhũ tương nhựa để gia cố cấp phối sỏi đỏ
3.1 Gia cố cấp phối sỏi đỏ lấy ở mỏ km19 - Hàm thuận nam, tỉnh Bình Thuận
Bình Thuận là một trong những tỉnh đặc biệt có nhiều mỏ cấp phối sỏi đỏ với trữ lượng lớn, chất lượng khá tốt; nhu cầu xây dựng móng mặt đường bằng cấp phối sỏi đỏ rất cao Công tác thí nghiệm gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ ở Bình Thuận bằng xi măng và nhũ tương nhựa trong phòng thí nghiệm và hiện trường được chủ trì bởi ThS Châu Thị Lê giám đốc sở cùng các cán
bộ kỹ thuật Sở giao thông Bình Thuận dưới sự chỉ đạo của PGS.TS Trần Tuấn Hiệp và sự phối hợp của ThS Lê Văn Bách giảng viên trường đại học Giao Thông, có sự hợp tác với phân viện khoa học giao thông phía nam và phòng thí nghiệm cơ sở 2, Đại học Giao Thông Vận Tải
3.1.1 Mục tiêu thí nghiệm
Đúc mẫu thí nghiệm trong phòng với nhiều tổ hợp mẫu khác nhau khi cho hàm lượng nhũ tương nhựa và xi măng thay đổi, xác định chỉ tiêu cường độ của đất gia cố từ đó xác định tỉ lệ xi măng và nhũ tương nhựa hợp lý cho công nghệ gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ
Hàm lượng xi măng biến đổi từ 0%, 1%, 2%, , đến 6%; ứng với từng tỷ lệ xi măng, hàm lượng nhũ tương nhựa biến đổi từ 0%, 1%, 2%, , đến 8%
3.1.2 Vật liệu thí nghiệm
+ Cấp phối sỏi đỏ được lấy ở mỏ km19 - Hàm Thuận Nam, có thành phần cấp phối:
Trang 4Hàm lượng (%) của các cỡ hạt có đường kính D (mm)
Giới hạn chảy: 26, 7%
Giới hạn dẻo: 16, 68%
Chỉ số dẻo: 10, 02%
Dung trọng khô lớn nhất: 2, 18g/cm3
Độ ẩm tốt nhất: Wopt = 9, 71%
+ Xi măng: Dùng xi măng Hà Tiên PC40
+ Nhũ tương nhựa: Dùng nhũ tương nhựa phân tích vừa gốc axit
CSS - 1 mua từ công ty TNHH SIME - OSC có các chỉ tiêu:
Màu nâu sẫm đồng đều
Hàm lượng bitum: 57,8% Độ nhớt ở 20oC: 14,2 Độ lắng: 3,92%
Thời gian tồn trữ cho phép > 90 ngày Cự ly vận chuyển 180 km
3.1.3 Chế bị vμ nén mẫu trong phòng thí nghiệm
Các tổ mẫu được chế bị theo tổ hợp biến đổi hàm lượng xi măng và nhũ tương gia cố ứng với tỷ lệ xi măng gia cố là: 0% (không gia cố xi măng), 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%; mẫu được tổ hợp với hàm lượng nhũ tương nhựa lần lượt thay đổi từ 0% (không gia cố nhũ tương), 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7% và 8% Mẫu có kích thước 7,07x7, 07x7,07 cm Mỗi loại được chế bị 12 mẫu theo phương pháp khống chế thể tích Bảo dưỡng mẫu ở chế độ bão hòa hơi nước trong thời gian 1 ngày tuổi, 7 ngày tuổi và 21 ngày tuổi Riêng loại 7 ngày tuổi được chế bị 2 tổ mẫu
để xác định cường độ của mẫu bão hòa nước và mẫu khô
+ Tính toán hμm lượng vật liệu để chế bị mẫu
Khối lượng cấp phối khô cho một nhóm 12 mẫu:
353,39 cm3x12x2,182 g/cm3 = 9,25 KG Khối lượng xi măng X theo tỷ lệ X%: X = 9, 25 x X%
Lượng nhũ tương NT thêm vào bằng lượng nước tính toán theo độ ẩm tốt nhất cộng lượng nước cần thiết để xi măng thủy hóa trừ lượng nước sẵn có trong đất và lượng nước có trong nhũ tương
+ Chế bị mẫu
Căn cứ số liệu tính toán, cân lượng đất cần thiết (chú ý khối lượng tăng thêm do lượng hàm
ẩm sẵn có trong đất) Trộn đều đất với xi măng, sau đó cho nhũ tương và nước vào hỗn hợp và trộn đều Mẫu được chế bị bằng cách phân phối đều hết khối lượng đất đã chuẩn bị, mỗi mẫu
đầm làm hai đợt, mỗi đợt có số lần đầm rơi: 10 lần Khi số đất chuẩn bị vừa khớp với khuôn mẫu, đạt được hệ số đầm nén bằng 1
Trang 5+ Nén mẫu
Mẫu đúc xong, được dưỡng hộ trong môi trường ẩm trong thời gian quy định: 1 ngày,
7 ngày, 21 ngày, sau đó được nén trên máy nén một trục nở hông tự do Kết quả thí nghiệm
được giới thiệu ở bảng 1, 2 và 3 Trong bảng hàm lượng xi măng, nhũ tương được tính theo tỉ lệ
% trên trọng lượng đất khô, cường độ kháng nén: (KG/cm2)
Bảng 1
Cường độ kháng nén (KG/cm 2 ) của mẫu 7 ngμy tuổi ứng với hμm lượng nhũ tương vμ xi măng khác nhau
X.mg(%) N.tg (%)
Bảng 2
Cường độ kháng nén (KG/cm 2 ) của mẫu 21 ngμy tuổi ứng với hμm lượng nhũ tương vμ xi măng khác nhau
X.mg (%) N.tg (%)
Trang 6Bảng 3
Cường độ kháng nén (KG/cm 2 ) của mẫu 7 ngμy tuổi bão hoμ nước ứng với hμm lượng nhũ tương vμ xi măng khác nhau
X.mg (%) N.tg (%)
3.2 Thí nghiệm trong phòng về gia cố cấp phối sỏi đỏ ở mỏ Thạch Hoà,
Thạch Thất, Sơn Tây
Cuối năm 2001 nhóm thực hiện bao gồm các giáo viên của bộ môn Đường Bộ, trường Đại học Giao Thông Vận Tải: Nguyễn Đình Thạo, Nguyễn Minh Nhật và các sinh viên NCKH dưới
sự chỉ đạo của PGS.TS Trần Tuấn Hiệp đã tiếp tục thí nghiệm trong phòng với cấp phối sỏi đỏ lấy ở mỏ Thạch Hoà, Cần Kiệm, Thạch Thất, Hà Tây Nhũ tương nhựa do nhà máy của công ty Tramexco hợp tác với hãng La Routiere Guyanaise (Pháp) cung cấp, là nhũ tương nhựa gốc a xít có tốc độ phân tích vừa; xi măng là xi măng Hoàng Thạch PC40 Kết quả nén mẫu 21 ngày tuổi cho thấy hàm lượng xi măng gia cố thích hợp là 5% - 6% và hàm lượng nhũ tương tương ứng là 3% - 4%
4 Kết luận
Qua thực nghiệm trong phòng bước đầu có thể rút ra một số nhận xét sau:
- Với cùng một lượng nhũ tương, nói chung quan hệ giữa cường độ mẫu gia cố và hàm lượng xi măng là quan hệ hàm bậc hai, lượng xi măng trong hỗn hợp tăng thì cường độ tăng Trong thí nghiệm chỉ khống chế hàm lượng xi măng tối đa tới 6% là căn cứ trên cơ sở thực tiễn (về kinh tế - kỹ thuật)
- Khác với hiệu quả của hàm lượng xi măng gia cố, hàm lượng nhũ tương trong hỗn hợp gia
cố không cho thấy hiệu quả khi vượt quá 5%
- Khi hàm lượng nhũ tương tăng trên 7% thì cường độ kháng nén của đất gia cố không những không tăng mà lại có xu hướng giảm đi
- Hàm lượng nhũ tương và xi măng cho cường độ cao nhất là:
Nhũ tương từ 4 - 5% và xi măng: 6% Tuy nhiên vì hiện nay giá nhũ tương nhựa khá cao và cường độ các mẫu gia cố nhũ tương 3% so với loại gia cố 5% chỉ thấp hơn khoảng 1 Kg/cm2: Từ
Trang 7đó xét cả về yếu tố kinh tế và kỹ thuật cho thấy hàm lượng gia cố hợp lý là: Nhũ tương từ 3 -
4 % và xi măng 6% Không nên dùng hàm lượng nhũ tương vượt quá 5%
- Cường độ mẫu gia cố tăng trưởng khá nhanh trong 7 ngày đầu, sau đó sự tăng trưởng gần như không đáng kể Sau 1 ngày mẫu gia cố đã đạt tăng cường độ đến gần 180% so với mẫu không gia cố, điều đó cho thấy hiệu quả và khả năng làm việc tốt của vật liệu gia cố khi đưa vào khai thác
- Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy khả năng ổn định nước khá cao của mẫu gia cố Mẫu không được gia cố dễ dàng bị tan rã trong khi ngâm nước Mẫu có gia cố với hàm lượng nhũ tương trên 4% và hàm lượng xi măng trên 5% trong điều kiện bão hòa nước có thể đạt cường độ trên 4 Kg/cm2 Khi hàm lượng bitum tăng lên đến 7% thì cường độ của mẫu gia cố 10 Kg/cm2
Điều đó cho thấy tác dụng hóa cứng của hạt đất được hydrat hóa và tác dụng bao bọc bề mặt
và lấp kín lỗ rỗng của các màng nhựa nhằm không cho nước xâm nhập phá hoại cấu trúc của
đất gia cố
Các kết quả thực nghiệm hiện trường cũng như kết quả xác định mô đun đàn hồi và hiệu quả chống bụi của mặt đường gia cố chúng tôi xin phép được giới thiệu ở bài báo sau
Tài liệu tham khảo
[1] V M Benzruk, A X Elenovits áo đường bằng đất gia cố - Bản dịch của Đỗ Bá Chương, Dương Học
Hải, Đặng Hữu, Trần Luân Ngô, Nguyễn Xuân Vinh - Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 1981 [2] Hãng SIME-OSC - Tài liệu giới thiệu nhũ tương - Vũng Tàu, 1994
[3] Châu Thị Lê - Nghiên cứu thử nghiệm gia cố đất sỏi đồi bằng xi măng và nhũ tương để làm đường ở Bình thuận - Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật, Đại học GTVT, Hà nội, 2001
[4] Paul Becher - Emulsions Theory and Pratice - Reinhold Publishing, Newyork, 1965
[5] Trần Tuấn Hiệp, Châu Thị Lê vμ các tác giả - Báo cáo khoa học đề tài B2001-35-17: Nghiên cứu giải
pháp công nghệ gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ bằng nhũ tương nhựa và xi măng làm móng mặt đường
ô tô - HàNội, 2002Ă
