Nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng xỉ than nhà máy nhiệt điện nông sơn làm vật liệu gia cố lớp móng trong xây dựng đường ở tp tam kỳ

Kết quả đề tài đã chỉ ra được vai trò quan trọng của xỉ than và vôi hoặc xi măng trong việc hình thành cường độ của hỗn hợp đất-xỉ-vôi, đất-xỉ-xi măng ngoài ra tính chất cơ lý của bản th

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Đà Nẵng - Năm 2018

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 8580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRẦN TRUNG VIỆT

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS Trần Trung Việt

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

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tên đề tài: 1

2 Lý do chọn đề tài 1

3 Đối tượng nghiên cứu 3

4 Phạm vi nghiên cứu 3

5 Mục tiêu nghiên cứu 3

6 Phương pháp nghiên cứu 3

7 Cấu trúc của luận văn 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ ĐẤT BẰNG CHẤT LIÊN KẾT VÔ CƠ5 1.1 Mở đầu 5

1.2 Tổng quan về gia cố vật liệu xây dựng bằng chất liên kết vô cơ 5

1.2.1 Gia cố đất bằng vôi 5

1.2.2 Gia cố đất bằng xi măng 6

1.2.3 Gia cố đất bằng tro bay 7

1.2.4 Xỉ than gia cố vôi 8

1.2.5 Gia cố đất bằng tro bay với xi măng hoặc vôi 8

1.2.6 Kết luận 8

1.3 Giới thiệu về vật liệu nghiên cứu: 9

1.3.1 Nguồn vật liệu 9

1.3.2 Thành phần hóa học của vật liệu 10

1.4 Nguyên lý hình thành cường độ 11

1.4.1 Tác dụng của vôi và xi măng khi gia cố với đất 11

1.4.2 Quá trình tương tác đất - vôi, đất –xi măng 12

1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến gia cố đất với vôi và xi măng 13

1.4.4 Nguyên lý hình thành cường độ của đất gia cố xỉ than, đất gia cố xỉ than và vôi, đất gia cố xỉ than và xi măng 14

1.4.5 Kết luận 14

1.5 Một số nghiên cứu gia cố đất trong và ngoài nước 15

1.5.1 Nghiên cứu trên thế giới 15

1.5.2 Nghiên cứu trong nước 15

1.5.3 Kết luận 16

1.6 Kết luận chương 1 16

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CỦA HỖN HỢP GIA CỐ 17

2.1 Mở đầu 17

2.2 Quy hoạch mẫu thí nghiệm và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của đất gia cố.17 2.2.1 Quy hoạch số lượng mẫu thí nghiệm 17

2.2.2 Thí nghiệm xác định thành phần hạt của đất 19

2.2.3 Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn của đất gia cố 21

2.2.4 Thí nghiệm cường độ chịu nén của đất gia cố 25

2.2.5 Thí nghiệm mô đun đàn hồi của đất gia cố 28

2.2.6 Thí nghiệm xác định sức chống cắt của đất tự nhiên ở máy cắt phẳng 32

2.3 Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên và các tính chất cơ lý của đất đến kết quả thí nghiệm 35

2.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng vôi và xỉ, hàm lượng xi măng và xỉ đến độ ẩm tốt nhất và dung trọng khô lớn nhất của đất gia cố 35

2.3.2 Ảnh hưởng của tính chất cơ lý của đất và hàm lượng %xỉ , %vôi, %xi măng đến cường độ nén và mô đun đàn hồi của đất gia cố 37

2.4 Xây dựng phương trình thực nghiệm 45

2.4.1 Mô hình ứng xử “ Response Surface” 45

2.4.2 Xây dựng phương trình thực nghiệm xác định cường độ nén và mô đun đàn hồi của đất gia cố 46

2.4.3 Xây dựng phương trình thực nghiệm xác định cường độ nén và mô đun đàn hồi của đất gia cố xỉ - Xi măng - CPTN 51

2.5 Kết luận chương 2 53

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG PHÓNG XẠ TRONG HỖN HỢP GIA CỐ ĐẾN MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KINH TẾ 55

3.1 Mở đầu 55

3.2 Chế bị mẫu và thí nghiệm xác định hàm lượng phóng xạ trong môi trường nước 55

3.2.1 Chế bị mẫu 55

3.2.2 Thí nghiệm kiểm tra độ phóng xạ 58

3.3 Phân tích ảnh hưởng của hàm lượng vôi, xi măng đến khả năng lan truyền phóng xạ trong nước của hỗn hợp gia cố 62

3.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng vôi và xỉ đến khả năng lan truyền phóng xạ trong nước của hỗn hợp gia cố 63

3.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng và xỉ đến khả năng lan truyền phóng xạ trong nước 64

3.3.3 Kết luận 66

3.4 Phân tích hiệu quả kinh tế 66

3.4.1 Phân tích bài toán kỹ thuật 66

3.4.2 Phân tích bài toán kinh tế 69

3.4.3 Kết luận 70

3.5 Kết luận chương 3 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 72

KẾT LUẬN 73

KIẾN NGHỊ 74

NHỮNG TỒN TẠI VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI 74 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 79

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Wb : Độ ẩm của đất lúc lấy mẫu

P : Tải trọng khi phá hoại mẫu

F : Tiết diện ngang trung bình của mẫu

L : Biến dạng đàn hồi của mẫu vật liệu

ai : Phần trăm khối lượng sót trên sàng i

Gi : Khối lượng sót trên sàng i

Gm : Khối lượng ban đầu của mẫu

Aj : Phần trăm lượng lọt qua sàng j

R : Số đọc đồng hồ đo biến dạng trên vòng đo lực ngang

Rn : Cường độ chịu nén của mẫu vật liệu

Eđh : Mô đun đàn hồi

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG XỈ THAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NÔNG SƠN LÀM VẬT LIỆU GIA CỐ LỚP MÓNG TRONG XÂY DỰNG

ĐƯỜNG Ở TP TAM KỲ

Học viên: Lê Phú Lộc Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Mã số: 8580205 Khóa: 20016 – 2018 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Đề tài giới thiệu phương pháp xây dựng mô hình thực nghiệm xác định R n và

E đh của vật liệu đất trộn xỉ than gia cố vôi hoặc xi măng dựa trên mô hình Response Surface (RSM) Kết quả đề tài đã chỉ ra được vai trò quan trọng của xỉ than và vôi hoặc xi măng trong việc hình thành cường độ của hỗn hợp đất-xỉ-vôi, đất-xỉ-xi măng ngoài ra tính

chất cơ lý của bản thân đất (lực dính C và góc nội ma sát ) cũng đóng vai trò rất lớn Từ

kết quả nghiên cứu, mô hình xác định R n và E đh ở tuổi 14, 28, 56, 90 ngày của hỗn hợp

đất-xỉ-vôi, R n và E đh ở tuổi 14, 28 ngày của hỗn hợp đất-xỉ-xi măng được đề xuất: với đất được lấy tại TP Tam Kỳ, xỉ than tại nhà máy nhiệt điện Nông Sơn và vôi sống được lấy từ Thanh Hóa, xi măng PCB 40 Sông Gianh Với mô hình đề xuất có thể giúp các kỹ sư nhanh chóng xác định sơ bộ được cường độ của hỗn hợp vật liệu khi biết được tính chất cơ

lý của đất (lực dính C và góc nội ma sát ) Kết quả nghiên cứu cho thấy khi gia cố bằng vôi và xỉ than, xi măng và xỉ than, các giá trị đặc trưng cơ học của đất gia cố như cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi tăng lên đáng kể, đáp ứng được yêu cầu về chất lượng vật liệu sử

dụng làm móng đường theo TCVN 10379-2014 Đồng thời khi sử dụng nguồn xỉ than tại

nhà máy Nhiệt điện Nông Sơn để gia cố thì nồng độ hàm lượng chất phóng xạ (tia gamma) giảm xuống khoảng 0.2-0.25 Sv/h dưới ngưỡng cho phép của Bộ Y tế (1 Sv/h) và của Nhật (0.4 Sv/h)

Từ khóa – đất gia cố xỉ than và vôi; đất gia cố xỉ than và xi măng; vật liệu mặt đường;

cường độ chịu nén; môđun đàn hồi; mô hình thực nghiệm

STUDYING TO ASSESSMENT USE OF SLAGS FROM NONG SON THERMAL

POWER STATION REINFORCED MATERIALS FOR HIGHWAY

CONSTRUCTION IN TAM KY CYTY Abstract - The subject introduces the method of empirical model building identify Rn and

Eđh of soil materials mixed lime or cement reinforced slags based on Response Surface model (RSM) Results the subject pointed out the important role of coal slag and lime or cement in the form of joint strength of soil-slag-lime, soil-slag-cement the physical properties of the soil (stick force c and angle of internal friction ) also played a very big role From the results of research, the model determines the Rn and Eđh at the age of 14,

28, 56, 90 days of composite soil-slag-lime, the Rn and Eđh at the age of 14, 28 days of composite soil-slag- cement was proposed: to soil taken in Tam Ky city, coal slag at Nong Son thermal power plants and quicklime are taken from Thanh Hoa With the proposed model can help engineers quickly identify preliminarily magnitude of composite materials when know the physical properties of the soil (stick force c and the angle of internal

friction ) The research results show that when reinforced with lime and coal slag, cement and coal slag values characteristic of reinforced soil mechanics as compression resistant strength, elastic modulus increased significantly, to meet the requirements of the quality materials used road foundation according to TCVN 10379-2014 standard The study show that when using slag at the Nong Son Thermal Power for reinforcement, the concentration

of radioactive (gamma ray) decreases to about 0.2-0.25 Sv / h below the level permitted

by the Ministry of Health (1 Sv / h) and Japan (0.4 Sv / h)

Key words – Soil reinforcement and lime, coal slag; Soil reinforcement and lime, cement;

pavement material; compressive strength; elastic modulus; empirical model

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

2.3 Kết quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn của đất gia cố vôi-xỉ 23 2.4 Kết quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn của đất gia cố Xi măng-xỉ 23

2.7 Kết quả đo mô đun đàn hồi ở 14, 28, 56, 90 ngày tuổi của Vôi 31 2.8 Kết quả mô đun đàn hồi ở 14, 28 ngày tuổi của Xi măng 32

2.11 Đánh giá cường độ và E theo thang phân loại độ bền theo

TCVN 10379-2014 của đất gia cố vôi ở 14 và 28 ngày tuổi

43

2.12 Đánh giá cường độ và E theo thang phân loại độ bền theo

TCVN 10379-2014 của đất gia cố xi măng ở 14, 28 ngày tuổi 44

3.3 Kết quả đo hàm lượng phóng xạ (liều bức xạ tích lũy) của mẫu

3.4 Kết quả đo hàm lượng phóng xạ (liều bức xạ tích lũy) của mẫu

gia cố xi măng sau khi bảo dưỡng mẫu 7 ngày

59

Số hiệu

3.8 Tính toán cường độ theo tiêu chuẩn đảm bảo ổn định trượt của

nền đất

69

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

2.14 Máy cắt ứng biến và thí nghiệm sức chống cắt của đất tự nhiên 35 2.15 Ảnh hưởng hàm lượng vôi, xỉ đến độ ẩm tốt nhất của đất gia cố 35 2.16 Ảnh hưởng hàm lượng vôi, xỉ đến độ dụng trọng khô lớn nhất của đất

2.21 Kết quả thí nghiệm cường độ nén và mô đun đàn hồi

2.22 Kết quả thí nghiệm cường độ nén và mô đun đàn hồi

của đất gia cố vôi và xỉ than ở tuổi 28 ngày

39

2.23 Kết quả thí nghiệm cường độ nén và mô đun đàn hồi của đất gia

2.24 kết quả thí nghiệm cường độ nén và mô đun đàn hồi của đất gia

Số hiệu

2.25 kết quả thí nghiệm cường độ nén và mô đun đàn hồi của đất gia

2.26 Mô hình Response Surface xác định phương trình tương quan 47

2.28 So sánh kết quả mô hình đề xuất và kết quả thí nghiệm Cường độ

2.29 So sánh kết quả mô hình và thí nghiệm Cường độ chịu nén 14

2.30 So sánh kết quả mô hình đề xuất và kết quả thí nghiệm mô đun

2.31 So sánh kết quả mô hình và thí nghiệm mô đun đàn hồi 14 ngày

2.32 So sánh kết quả mô hình đề xuất và kết quả thí nghiệm Cường độ

2.33 So sánh kết quả mô hình và thí nghiệm Cường độ chịu nén 56

2.34 So sánh kết quả mô hình đề xuất và kết quả thí nghiệm mô đun

2.35 So sánh kết quả mô hình và thí nghiệm mô đun đàn hồi 56 ngày

2.36 So sánh kết quả của mô hình và thí nghiệm cho R14 khi gia cố

3.2 Đo hàm lượng phóng xạ trên mẫu gia cố chưa ngâm nước và mẫu

3.3 Đo hàm lượng phóng xạ trên mẫu ngâm nước và hàm lượng

phóng xạ lan truyền trong nước theo thời gian (7, 14, 21, 28) 60 3.4

Đo hàm lượng phóng xạ trên mẫu gia cố vôi ngâm nước theo thời

3.5 Đo hàm lượng phóng xạ lan truyền trong nước theo thời gian (7,

Số hiệu

3.6 Đo hàm lượng phóng xạ trên mẫu gia cố xi măng ngâm nước theo

3.7 Đo hàm lượng phóng xạ lan truyền trong nước theo thời gian (7,

3.8

Ảnh hàm lượng vôi, xỉ đến hàm lượng bức xạ tích lũy trong mẫu

3.9 Ảnh hưởng hàm lượng vôi, xỉ đến hàm lượng bức xạ tích lũy lan

3.10 Ảnh hàm lượng xi măng, xỉ đến hàm lượng bức xạ tích lũy trong

3.11 Ảnh hưởng hàm lượng xi măng, xỉ đến hàm lượng bức xạ tích lũy

3.12

Biểu đồ so sánh hàm lượng bức xạ tích lũy trong mẫu GCV (mẫu

bảo dưỡng 7 ngày, ngâm nước 28 ngày) và hàm lượng cho phép

theo tiêu chuẩn

65

3.13

Biểu đồ so sánh hàm lượng bức xạ tích lũy trong mẫu GCXM

(mẫu bảo dưỡng 7 ngày, ngâm nước 28 ngày) và hàm lượng cho

phép theo tiêu chuẩn

65

MỞ ĐẦU

1 TÊN ĐỀ TÀI:

“Nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng xỉ than nhà máy nhiệt điện Nông Sơn làm

vật liệu gia cố lớp móng trong xây dựng đường ô tô ở TP Tam Kỳ”

2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Cùng với chiến lượt phát triển đến năm 2020, Việt Nam trở thành nước công

nghiệp, chúng ta đang dốc toàn bộ sức lực, tiền của và trí tuệ để xây dựng cơ sở hạ

tầng cho một đất nước công nghiệp văn minh, dân giàu nước mạnh Trong công cuộc

kiến thiết đó, bên cạnh xây dựng các nhà máy, khu công nghiệp thì nước ta đã đầu tư

xây dựng rất nhiều nhà máy nhiệt điện để đấu nói vào lưới điện quốc gia, giảm phụ

thuộc vào nguồn thủy điện

Tùy thuộc vào nguồn nhiên liệu và công nghệ đốt mà khối lượng và thành phần

tro khác nhau, nếu không có giải pháp xử lý triệt để thì ngoài việc cần đến hàng ngàn

hecta đất để chôn lấp, tro xỉ còn là nguồn gây ô nhiễm môi trường đất, nước và không

khí Hiện nay, vấn đề xử lý vật liệu phế thải từ các nhà máy nhiệt điện đang là đề tài

cấp thiết Theo số liệu thống kê, hiện nay cả nước có khoảng 19 nhà máy nhiệt điện

đang vận hành với tổng công suất phát điện 14.480MW và thải ra khoảng 15 triệu tấn

tro, xỉ hằng năm Trong đó, lượng tro bay chiếm khoảng 75%,còn lại là xỉ than [Bộ

xây dựng, 2016] Dự kiến sau năm 2020, con số này sẽ là 43 nhà máy với tổng công

suất 39.020 MW, lượng tro xỉ thải ra dụ kiến hơn 30 triệu tấn/năm Theo quyết định

1696/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 23 tháng 9 năm 2014 quy định thời hạn

sử dụng bãi thãi là 2 năm đối với các nhà máy nhiệt điện, nhà máy hóa chất

Tại tỉnh Quảng Nam cũng được đầu tư xây dựng dự án nhà máy nhiệt điện

Nông Sơn đã đưa vào quá trình vận hành năm 2015 có công suất 30MW, lượng than

tiêu thụ 110.000 tấn than/năm Như vậy, khi vận hành sẽ thải ra lượng tro, xỉ rất lớn, là

một trong những chất thải rắn sinh ra trong quá trình đốt than trong các nhà máy nhiệt

điện: mỗi ngày thải ra 140 tấn xỉ than [vtv.vn, 2015].

Trong khi đó, hiện nay, lượng xỉ đáy lò được tái sử dụng trong sản xuất vật liệu

xây dựng với khối lượng không lớn Theo thống kê cho thấy mới chỉ khoảng 10%

lượng tro thải ra hằng năm được thu gom, sử dụng, còn lại 90% vẫn thực hiện chôn

lấp Khối lượng này quá nhỏ so với khối lượng cần được xử lý

Việc một lượng lớn xỉ than, tro bay thải ra từ các nhà máy nhiệt điện đang là

vấn đề gây bức xúc không chỉ cho các nhà quản lý, người dân và đặc biệt là vấn đề

môi trường Với nguồn xỉ thải lớn như hiện nay, việc nghiên cứu tận dụng để làm các

vật liệu thay thế trong xây dựng là cần thiết Nhận thấy được vấn đề, năm 2015 Phó

thủ tướng đã có thông báo 279/TB-VPCP về các giải pháp để xử lý và tận dụng nguồn

xỉ than, tro bay Và từ đó hàng loạt các nghiên cứu trong nước được tiến hành để tận

dụng nguồn tro bay và xỉ than trong việc chế tạo các loại vật liệu xây dựng [4], [14]

các nghiên cứu này đều chỉ ra việc tận dụng nguồn phế thải này trong việc chế tạo các

loại vật liệu phục vụ trong xây dựng là khả thi và mang lại hiệu quả kinh tế

Trên thế giới, việc sử dụng tro bay và xỉ than như một loại phụ gia trong việc

chế tạo vật liệu xây dựng đã được nghiên cứu từ rất lâu: Sử dụng tro bay trong chế tạo

bê tông, xử lý gia cố đất trong các công trình xây dựng, vật liệu mặt đường Các

nghiên cứu đã chỉ ra được những ưu điểm nhất định trong việc sử dụng tro bay để tăng

cường khả năng làm việc của vật liệu

Tuy nhiên, trong các nghiên cứu trên hầu như chỉ tập trung vào việc phân tích

ảnh hưởng thành phần của tro bay, xỉ than và hàm lượng của chúng trong việc gia cố

vật liệu đến cường độ của vật liệu gia cố (mô dun đàn hồi E và cường độ chịu nén R n),

chứ chưa tập trung đánh giá thêm tác động của mẫu vật liệu gia cố sử dụng xỉ than, tro

bay đến môi trường trong quá trình khai thác Trong khi đó, một trong những nguyên

nhân khiến cho việc ứng dụng xỉ than, tro bay vào xây dựng ở Việt Nam chưa phổ

biến là do tâm lý lo sợ sự lan truyền của các thành phần kim loại nặng trong xỉ than

vào nguồn nước khi sử dụng, và chưa có nghiên cứu cụ thể nào về đánh giá tác động

này được công bố, hay giải đáp vấn đề trên

Ngoài ra, trong các nghiên cứu hiện nay quan niệm các tính chất cơ lý của vật

liệu gia cố (bê tông, đất) được xem như là đồng nhất và không thay đổi Tuy nhiên

trong thực tế xây dựng, các tính chất này thay đổi rất nhiều, đặc biệt là khi lấy đất tại

một mỏ lớn để làm vật liệu gia cố, sự không đồng nhất này sẽ làm ảnh hưởng lớn đến

cường độ của vật liệu gia cố Các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra tính chất cơ lý của

đất thay đổi rất lớn và là vật liệu không đồng nhất, phạm vi thay đổi từ 10-50%

Từ những phân tích trên, việc nghiên cứu đánh giá cường độ của vật liệu đất gia

cố sử dụng xỉ than và tro bay có xét đến sự thay đổi ngẫu nhiên các tính chất cơ lý của

đất cũng như sự ảnh hưởng của hàm lượng kim loại nặng trong xỉ than tro bay sau khi

gia cố đến môi trường là cần thiết Đề tài “NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ

DỤNG XỈ THAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NÔNG SƠN LÀM VẬT LIỆU GIA CỐ

LỚP MÓNG TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ở TP TAM KỲ” được thực hiện nhằm góp

một phần nhỏ vào việc đề xuất thêm giải pháp tận dụng nguồn vật liệu địa phương trong xây

dựng đường ô tô tại khu vực Tỉnh Quảng Nam và TP Tam Kỳ

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Với đề tài đặt ra, đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng vôi, xi

măng, tính chất cơ lý của đất và thành phần xỉ than đến định cường độ của đất-xỉ

than-vôi, đất-xỉ than-xi măng cũng như khả năng gây ô nhiễm môi trường nước

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng vôi, xi măng, xỉ than và tính chất cơ lý

của đất (c, ) đến định cường độ chịu nén (R n ) và mô đun đàn hồi (E đh) của đất-xỉ

than-vôi, đất-xỉ than-xi măng

- Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng kim loại nặng trong xỉ than, tro bay của hỗn

hợp gia cố đến môi trường (nước ngầm)

- Đất được lấy từ mỏ đất trên địa bàn huyện Phú Ninh và TP Tam Kỳ, tỉnh Quảng

Nam, vôi sống được lấy từ Thanh Hóa và xỉ than lấy từ nhà máy nhiệt điện Nông Sơn,

tỉnh Quảng Nam

5 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

a Mục tiêu tổng quát:

Nghiên cứu, đánh giá khả năng sử dụng xỉ than nhà máy Nhiệt điện Nông Sơn để

thay thế thành phần CPTN trong thi công các lớp móng KCAD tại Tỉnh Quảng Nam

b Mục tiêu cụ thể:

- Xây dựng phương trình tương quan xác định cường độ hỗn hợp gia cố (R n và

E đh ) với hàm lượng vôi, xi măng, xỉ than và tính chất cơ lý của đất (c, )

- Đánh giá tác động đến môi trường nước của hàm lượng kim loại nặng trong hỗn

hợp gia cố

- So sánh bài toán kinh tế và kỹ thuật khi áp dụng hỗn hợp gia cố này làm lớp

móng nền đường

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để xây dựng được mô hình thực nghiệm và đánh giá được ảnh hưởng các yếu tố

đã nêu đến cường độ của hỗn hợp gia cố cũng như đánh giá tác động môi trường, để

tài tiến hành nghiên cứu về lý thuyết hình thành cường độ của đất gia cố vôi, từ đó

phát triển cho chuổi phản ứng khi có trộn thêm xỉ than Từ lý thuyết trên, đề tài tiến

hành bài toán quy hoạch thực nghiệm, chế bị các mẫu để xác định cường độ chịu nén

(R n ) và mô đun đàn hồi (E đh) với các thành phần khác nhau của xỉ than, vôi tính chất

cơ lý của đất (c, ) Phần cuối của đề tài là dựa trên kết quả thí nghiệm trong phòng,

mô hình Response Surface (RSM) được sử dụng để xây dựng mô hình thực nghiệm

xác định R n và E đh Bước tiếp theo, để đánh giá tác động môi trường, đề tài sử dụng

thiết bị quan trắc cầm tay (Máy đo bức xạ Soeks – 1M) kết hợp với kết quả thí nghiệm tại

phòng Lab QUATEC 2

7 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Luận văn thực hiện với 3 chương, phần mở đầu và phần kết luận

Chương 1 Tổng quan về gia cố đất bằng chất liên kết vô cơ

Chương 2 Xây dựng phương trình thực nghiệm xác định cường độ của hỗn hợp

gia cố

Chương 3 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng phóng xạ trong hỗn hợp gia cố

đến môi trường nước và phân tích hiệu quả kinh tế

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ ĐẤT BẰNG CHẤT LIÊN KẾT

VÔ CƠ

1.1 Mở đầu

Việc khai thác các nguồn tài nguyên như đá, cấp phối thiên nhiên trong

những năm qua để phục vụ cho các công trình xây dựng đang ngày càng có xu hướng

gia tăng Điều đó đẫn đến các nguồn tài nguyên này trở nên khan hiếm, điều kiện khai

thác ngày càng khó khăn Vì thế, xu hướng cải tạo đất xây dựng tại chỗ làm nền móng

đường thay thế các vật liệu truyền thống bằng các chất vô cơ đó là một việc làm có ý

nghĩa rất quan trọng

Chất kết dính vô cơ là loại vật liệu thường ở dạng bột, khi nhào trộn với nước

hoặc các dung môi khác thì tạo thành loại hồ dẻo, dưới tác dụng của quá trình lý hóa tự

nó có thể rắn chắc và chuyển sang trạng thái đá Do khả năng này của chất kết dính vô

cơ mà người ta sử dụng chúng để gắn kết các loại vật liệu như đất đá thành một khối

đồng nhất

Để đáp ứng yêu cầu cao về cường độ và độ ổn định hoặc để tận dụng được các

loại vật liệu hạt sẵn có tại chỗ rẻ tiền (nhất là đất tại chỗ) thì cần phải biến các chất rời

rạc, phân tán thành các vật liệu toàn khối có cường độ liên kết giữa các hạt tăng lên và

không nhạy cảm với nước bằng cách gia cố chúng với các loại chất liên kết khác nhau

Đó là mục tiêu của việc gia cố đất hoặc các loại vật liệu hạt khác bằng các chất liên

kết Gia cố các loại vật liệu hạt (đất) thuộc dạng này gồm có xi măng, vôi hoặc xi

măng kết hợp tro bay, vôi kết hợp với xỉ than, các phụ gia khác

Các quá trình hóa học và hóa lý xảy ra khi trộn chất liên kết vô cơ với đất, cụ

thể là các quá trình thủy phân, thủy hóa các chất liên kết khoáng vật hoặc quá trình

trao đổi ion giữa các chất liên kết với đất sẽ dẫn đến sự hình thành những chất liên kết

hoặc keo kết mới không hòa tan trong nước, nhờ đó mà đất sau khi gia cố chất liên kết

vô cơ sẽ có cấu trúc kết tinh, có tính toàn khối, có cường độ và tính ổn định đối với

nước được nâng cao

1.2 Tổng quan về gia cố vật liệu xây dựng bằng chất liên kết vô cơ

Các phản ứng này là trao đổi cation, keo tụ, phản ứng cacbonat, và phản ứng

pozzolanic Trao đổi cation và phản ứng keo tụ xảy ra ngay sau khi trộn hỗn hợp và

các phản ứng này gây ra thay đổi ngay lập tức cường độ, chỉ số dẻo và độ tơi xốp của

đất Cacbonat hóa là phản ứng của khí carbon dioxide trong pha khí của đất với vôi,

tính gắn kết tương đối yếu Kết quả về lâu dài của phản ứng pozzolanic là tăng cường

độ của đất

Sau khi biến cứng đất xây dựng trong điều kiện bảo dưỡng, đất gia cố có độ bền

và các chỉ tiêu cơ lý thỏa mãn các trị số yêu cầu theo Bảng 1.1:

Bảng 1 1 Chỉ tiêu cơ lý của đất gia cố [TCVN 10379-2014]

Độ bền khi nén(Mpa)

Đối với mẫu 28 ngày ở độ

Đối với mẫu 7 ngày ở độ

Cấp độ bền của vật liệu gia cố được quy định theo trị số mô đun đàn hồi tính

toán tương ứng 3 cấp độ bền:

+ Độ bền cấp I khi mô đun đàn hồi đạt 400 Mpa

+ Độ bền cấp II khi mô đun đàn hồi đạt 350 Mpa

+ Độ bền cấp III khi mô đun đàn hồi đạt 200 Mpa

Riêng đất gia cố vôi với giới hạn cấp độ bền (theo mô đun đàn hồi) có trị số nhỏ

hơn 350 Mpa

1.2.2 Gia cố đất bằng xi măng

Xi măng có các thành phần hóa học tương tự vôi nên sử dụng xi măng để gia cố

đất xây dựng, cát, cấp phối đá dăm, cấp phối thiên nhiên cũng là một giải pháp truyền

thống được áp dụng

Quá trình phản ứng lý- hóa của việc gia cố đất bằng xi măng khác với nguyên

lý đóng rắn của bê tông Đóng rắn của bê tông chủ yếu là xi măng thực hiện tác dụng

thủy hóa và thủy giải trong cốt liệu thô và cốt liệu nhỏ, do đó tốc độ đóng rắn nhanh

Khi dùng xi măng gia cố đất, do lượng xi măng trộn vào đất ít, phản ứng thủy hóa và

thủy giải của xi măng hoàn toàn thực hiện trong môi trường có hoạt tính nhất định – sự

quay kín của đất, do đó tốc độ đóng rắn rất chậm và tác dụng phức tạp, cho nên quá

trình tăng trưởng cường độ xi măng gia cố đất cũng chậm hơn bê tông

Đối với cát gia cố xi măng, yêu cầu cường độ hỗn hợp cát gia cố phải thỏa mãn

hai chỉ tiêu là cường độ chịu nén giới hạn và cường độ ép chẻ giới hạn theo bảng 1.2 :

Bảng 1 2 Yêu cầu cường độ cát gia cố xi măng [22TCN 246 – 1998]

Vị trí lớp cấp phối gia cố xi măng Cường độ giới hạn yêu cầu(daN/cm 2 )

Chịu nén (sau 28 ngày tuổi)

1.2.3 Gia cố đất bằng tro bay

Tro bay là phụ phẩm của các nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu khoáng (than

đá) Công nghệ đốt than ở các nhà máy nhiệt điện phổ biến nhất là đốt bằng lò kiểu

tầng sôi Phần hạt tro mịn bay theo dòng khí thải bị lắng lại trong thiết bị lọc bụi tĩnh

điện gọi là “tro bay” Tro bay có chứa silic oxid, nhôm ô xít, và canxi oxit, magie oxit

và lưu huỳnh oxit là những tinh cầu tròn, siêu mịn, được cấu thành từ các hạt silic Có

cỡ hạt trung bình 9-25µm

Tro bay được phân thành 2 loại là F và C Tro bay loại C có chứa một phần lớn

oxit canxi(CaO ≥ 5% và thường bằng 15 – 35%) và có khả năng tự kết dính nhanh khi

trộn với nước Tro bay loại F (CaO ≤ 5% ) thường không có khả năng tự dính kết và

thông thường sử dụng với vôi hoặc các chất phụ gia khác để cải tạo và ổn định đất Do

đặc tính kết dính của nó mà phần lớn lượng tro bay loại C được sử dụng để gia cố cho

đất yếu

Việc sử dụng phụ gia tro bay trong xây dựng đường đã được nghiên cứu bước

đầu và chưa được ứng dụng nhiều trong sản xuất Tro bay được ứng dụng trong công

trình như:

- Tro bay – vật liệu làm bê tông xây dựng: Tro bay có thể làm tăng hoặc giảm

độ dẻo tức là giảm hoặc tăng lượng nước yêu cầu của hỗn hợp bê tông, điều đó tùy

thuộc vào hàm lượng than chưa cháy và độ mịn của tro bay Việc làm tăng lượng nước

yêu cầu được giải thích bằng việc hút nước của các phần tử cacbon (than chưa cháy),

sự cản trở giữa các hạt tro bay lớn, cũng như cốt liệu làm cho hồ có độ nhớt cao

- Tro bay - ứng dụng trong xây dựng đường ô tô và sân bay:

+ Trong việc xây dựng các loại mặt đường cứng (đường ô tô và mặt đường sân

bay), cũng có các yêu cầu như đối với các loại công trình khác sử dụng bê tông

Nhưng vấn đề cơ bản ở đây là: Yêu cầu về cường độ, về khống chế phát sinh nhiệt

chống nứt, về công tác đầm lèn bê tông vv Nếu nghiên cứu sử dụng phụ gia tro bay

chắc chắn sẽ đạt hiệu quả cao

+ Với tính chất của tro bay, nếu chúng chiếm 1 tỷ lệ hợp lý trong chất kết dính

của cấp phối đá dăm sẽ tăng độ dính kết, giảm cường độ phân tầng cho cấp phối đá

dăm, tăng cường độ cho vật liệu

+ Trong bê tông nhựa, theo các tài liệu của Mỹ, tro bay còn làm phụ gia cho bê

tông nhựa, giảm lượng nhựa đồng thời tăng ổn định dính bám giữa các cốt liệu, chống

hóa già cho bê tông nhựa

+ Trong gia cố đất, nếu dùng đất gia cố với tro bay sẽ có cường độ khá cao, loại

vật liệu này hoàn toàn có thể sánh với gia cố vôi và một số hóa chất khác Loại đất gia

cố này dùng làm móng đường hoặc gia cố lề, mái dốc taluy sẽ có hiệu quả cao vì độ ổn

định và tính dính kết của nó

1.2.4 Xỉ than gia cố vôi

Xỉ than nên có thành phần cấp phối tương đối tốt và có cỡ hạt lớn nhất dưới

30mm Tỷ lệ vôi-xỉ than thường sử dụng trong khoảng 20 : 80 đến 15 : 85 theo khối

lượng (vôi từ 20 – 15%)

Tương tự như với tro bay, xỉ than – vôi cũng có thể thêm vào đất đá ( cấp phối

đá dăm hoặc sỏi cuội) để tạo ra đất gia cố vôi – xỉ than hoặc đá gia cố vôi – xỉ than

Đất gia cố vôi – xỉ than làm móng áo đường thường sử dụng vôi – xỉ theo tỷ lệ

trong khoảng 1 : 1 đến 1 : 4 theo khối lượng khô(1 vôi 1 xỉ hoặc 1 vôi 4 xỉ) Còn đối

với đá gia cố vôi – xỉ than thì tỷ lệ vôi – xỉ - cấp phối đá thường áp dụng trong khoảng

(7 ÷ 9%) : (26 ÷ 33%) : (67 ÷58%)

1.2.5 Gia cố đất bằng tro bay với xi măng hoặc vôi

Tro bay là một loại puzzolan nhân tạo, puzzolan chứa nhiều Oxyd silic vô định hình

có hoạt tính, tức là có tác dụng ở nhiệt độ thường với Ca(OH)2 sinh ra khi xi măng

thủy hóa để tạo thành CaO.SiO2.nH2O [5] bền vững ngay cả khi ẩm ướt và ở trong

nước Với tro bay loại F thì không sử dụng riêng để gia cố vì nó không tự phản ứng tạo

liên kết mà cần phải có chất hoạt hóa là xi măng hoặc vôi để tạo ra sản phẩm có tính

chất kết dính Loại hỗn hợp này được gọi là hỗn hợp gia cố pozzolanic(PSMs) Là loại

vật liệu không tự kết dính, nhưng khi ở dạng mịn và trong điều kiện độ ẩm phù hợp, sẽ

phản ứng với Ca(OH)2 – Canxi Hydroxyd (vôi) ở nhiệt độ bình thường tạo ra các sản

phẩm kết dính như xi măng

1.2.6 Kết luận

Như vậy, thực tế ta có thể gia cố vật liệu xây dựng bằng các chất liên kết vô cơ như

vôi, xi măng, tro bay, xỉ than để nâng cao khả năng chịu lực và chịu tác động của môi

trường đem lại hiệu quả trong xây dựng

1.3 Giới thiệu về vật liệu nghiên cứu:

1.3.1 Nguồn vật liệu

1.3.1.1 Mỏ đất

Mỏ đất chọn làm thí nghiệm của nhóm nghiên cứu thuộc thôn Đàn Trung, xã

Tam Đàn, huyện Phú Ninh, tỉnh Quảng Nam

Hình 1 1 Mỏ đất huyện Phú Ninh, Quảng Nam

Với diện tích rộng hơn 7 hécta, đất ở là đất đồi lẫn sỏi sạn và mới đưa vào khai

thác, mỏ đất rất phù hợp để ứng dụng sau khi nghiên cứu thành công

1.3.1.2 Xỉ than nhà máy nhiệt điện Nông Sơn – Quảng Nam

Nhà máy Nhiệt – Điện Nông Sơn thuộc Xã Quế Trung, Huyện Quế Sơn, Tỉnh

Quảng Nam do Công ty CP Than điện Nông Sơn – Vinacomin làm chủ đầu tư với

công suất thiết kế là 30MW được đưa vào hoạt đông 5/2/2015 Lượng than tiêu thụ

110.000 tấn than/năm Do vậy, mỗi năm lượng tro xỉ than thải ra môi trường khá lớn

Đây là nguồn tài nguyên dồi dào cho trong việc sử dụng nó kết hợp với các chất liên

kết vô cơ để gia cố cho đất nền

Hình 1 2 Nhà máy nhiệt điện Nông Sơn

Hình 1 3 Bãi thải tro xỉ than của nhà máy nhiệt điện Nông Sơn

1.3.1.3 Vôi

Vôi đươc sử dụng trong đề tài nghiên cứu là vôi bột CaO có hàm lượng CaO

trên 90% xuất xứ từ Thanh Hóa

1.3.1.4 Xi măng

Vôi đươc sử dụng trong đề tài nghiên cứu là xi măng Kim Đỉnh PCB 30

1.3.2 Thành phần hóa học của vật liệu

1.3.2.1 Các thành phần hóa chất của xỉ than:

5 Potassium oxide (K2O) 0,63

7 Magnesium oxide (MgO) 0,57

1.3.2.2 Thành phần hóa học của vôi:

Vôi sống còn có tên gọi khác là vôi nung hay vôi, Vôi sống được tạo ra từ quá

trình nung đá vôi ở nhiệt độ cao trên 900 0C Các sản phẩm vôi sồng mang tính phản

ứng hóa học cao, thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp luyện kim, xử lý

nước thải, môi trường, gia cố nền đất, điều chỉnh độ pH, chất ăn da, hấp thụ khí a xít…

Công thức hóa học của vôi sống: CaO

Tên gọi: Vôi sống hoặc vôi tôi

Các thành phần hóa chất của vôi sống:

Bảng 1 4 Thành phần hóa học của vôi

1.4.1 Tác dụng của vôi và xi măng khi gia cố với đất

Đất là vật liệu cấp phối thiên nhiên, nên các tính chất cơ, lý không đồng đều, đất tự

nhiên thường không đạt về cường độ, chịu nước kém Khi gia cố vôi, xi măng; sẽ làm

tăng cường độ, tăng khả năng chịu môi trường nước cho đất phục vụ mục đích xây dựng

1.4.2 Quá trình tương tác đất - vôi, đất –xi măng

1.4.2.1 Quá trình tương tác đất- vôi: Với vôi sống: xảy ra theo 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Quá trình lý hóa- keo hóa, trong đó xảy ra sự trao đổi ion và đông

tụ các hạt

- Bột vôi sống khi gặp nước tạo ra Ca(OH)2 làm cho nồng độ ion Ca2+ trong

dung dịch đất- vôi tăng lên Do phản ứng của vôi tỏa nhiệt nên một phần nước trong

đất bị bốc hơi, một phần bị vôi hút nên dung dịch trở nên quá bão hòa ion Ca2+

- Do hiện tượng quá bão hòa xảy ra nhanh và mạnh mà các Ca(OH)2tạo thành

gồm những hạt có kích thước gần giống hạt keo Các hạt keo Ca(OH)2 sẽ nhanh chóng

đông ụ lại thành các gen Hydro Các gen Hydro sẽ làm dính kết các hạt đất lại với

nhau

- Có sự trao đổi ion+ hóa trị một X+ vốn có ở lớp khuếch tán các hạt đất lấy các

ion Ca++ có trong vôi

CaO + 2H2O t0 Ca(OH)2 + H2

Ca(OH)2   Ca2+ + 2(OH)

2

2X +Ca(OH) Ca +2XOH, với X+: H+, K+, v.v…

Các phương trình lý hóa nói trên sẽ diễn ra theo chiều thuận nếu trộn vào hỗn

hợp một lượng CaO đủ nhiều và đủ hoạt tính Kết quả là bề dày lớp khuếch tán của các

hạt đất sẽ giảm đi, hiện tượng kết hạt xảy ra, đất giảm tính dẻo, tăng cường độ và độ

ổn định nước

Giai đoạn 2: Quá trình hóa rắn của các hạt đất sau khi được dính kết

- Nước trong dung dịch vôi- đất tiếp tục bay hơi do các lớp phía trong của các

hạt CaO và của các vi kết thể đất hút vào và một phần bị bay hơi đi, làm cho các gen

Hydro bị nén chặt lại và do đó vôi sẽ hóa rắn hơn

- Nhận xét: Hai quá trình trên xảy ra lâu dài, do đó cường độ của đất gia cố vôi

được hình thành chậm hơn so với mặt đường gia cố xi măng Để quá trình hóa rắn

được thực hiện tốt, cần chú ý trong khi các hạt CaO được tôi và các sản phẩm hydrat

hóa rắn thì sự thoát nhiệt phải nhanh và đều

- Do quá trình cácbônnát hóa vôi khi hút CO2 trong không khí và có trong lỗ

CaCO là chất kết tinh rắn chắc, tạo ra tác dụng gia cố đất

- Do quá trình tự kết tinh của Ca(OH)2 bão hòa trong nước theo phương trình

phản ứng hóa học dưới đây:

Ca(OH) +nH OCa(OH) nH O

Theo phản ứng nói trên, vôi trong nước sẽ từ thể keo chuyển dần sang thể kết

tinh rồi cùng đất kết hợp lại và làm cho đất trở thành vật liệu có tính toàn khối Sau khi

vôi kết tinh, độ hòa lẫn trong nước của chúng giảm đi một nửa so với phân tử vôi chưa

định hình, do đó tăng tính ổn định nước cho đất gia cố

Tác dụng hóa học giữa vôi và các hợp chất silicat có trong đất, từ đó tạo ra các

chất kết dính mới biến cứng trong môi trường ẩm giống như CaO.SiO2.nH2O (hidro

silicat canxi) hoặc 3CaO.Al2O3.6H2O ( hidro aluminat canxi) :

xCa(OH)2 + SiO2 + (n-1)H2O  xCaO.SiO2.nH2O xCa(OH)2 + Al2O3 + (n-1)H2O  xCaO.Al2O3.nH2O Các hợp chất mới tạo ra này chính là các sản phẩm thu được sau khi xi măng phân giải

trong nước Chính chúng là các chất kết dính biến cứng được trong nước và nhờ có

chúng đất gia cố vôi không những có tính chất ổn định nước tốt mà còn có thể càng

tăng cường độ trong môi trường ẩm

1.4.2.2 Quá trình tương tác đất - xi măng:

Hạt xi măng Portland là một hợp chất bao gồm Tricalcium Silicate (C3S),

Dicalcium Silicate (C2S), Tricalcium Aluminate (C3A) và các chất rắn hòa tan như

Tetracalcium Alumino-Ferrit (C4A) Bốn phân tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp

tạo độ bền chủ yếu Khi nước lỗ rỗng của đất gặp xi măng, thủy hóa xi măng xảy ra

nhanh chóng và sản phẩm sự thủy hóa chính yếu ban đầu này là Hydrated Calcium

Silicate (C3SHx, C3S2HX), Hydrated Calcium Aluminate (C3SAX, C3S2Ax) và Hidrocid

Calcium Ca(OH)2 Hai sản phẩm kết dính xi măng chính được hình thành và thủy hóa

được sử dụng như pha tinh thể rắn tách biệt

Xi măng + nước = CSH-gel + Hidrocid Calcium

Những phần tử xi măng này kết hợp các hạt xi măng nằm kế bên với nhau trong

suốt quá trình hóa cứng dễ tạo thành hỗn hợp bộ khung xương đá xi măng bao quanh

các hạt đất nguyên vẹn, tự thân nó trực tiếp nó đóng rắn

1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến gia cố đất với vôi và xi măng

- Thời gian: cường độ của đất gia cố vôi tăng theo thời gian hóa rắn Trong

những tuần đầu cường độ không tăng nhiều so với cuối tuần thứ nhất, nhưng sau 16

tuần và một thời gian lâu nữa thì cường độ tăng nhiều

- Nhiệt độ môi trường: nhiệt độ càng cao, quá trình hóa rắn xảy ra càng nhanh(

ở nhiệt độ 40÷500C , cường độ cao gấp 2÷2,5 lần ở nhiệt độ 150C)

- Thành phần hóa khoáng và quá trình hình thành của đất:

+ Đất á sét nặng và đất sét khi gia cố với vôi sẽ cho hiệu quả lớn

+ Đất có chứa cacbonat canxi khi gia cố với vôi sẽ cho cường độ cao hơn rất

nhiều so với đất không chứa cacbonat canxi

+ Đất càng chứa nhiều hạt sét khi gia cố với vôi càng hiệu quả

+ Đất có tính axit, đất chứa nhiều mùn khi gia cố vôi sẽ cho hiệu quả cao hơn

so với gia cố xi măng nếu hàm lượng chất liên kết là như nhau( <10%)

1.4.4 Nguyên lý hình thành cường độ của đất gia cố xỉ than, đất gia cố xỉ than và

vôi, đất gia cố xỉ than và xi măng

1.4.4.1 Tác dụng của xỉ than khi gia cố với đất:

- Có khả năng kháng Sunfat;

- Phản ứng với Canxi Oxide;

- Cải thiện đặc tính thi công: chống thấm tốt, tăng cường độ

1.4.4.2 Quá trình tương tác xỉ than với đất:

- Xỉ than trộn với đất sẽ tạo ra cấp phối mới;

- Xỉ than hầu như không trực tiếp phản ứng với nước, không là chất kết dính mà

cần có chất hoạt hóa xi măng hoặc vôi Do đó sử dụng kết hợp tro xỉ than với vôi hoặc

xi măng để gia cố đất sẽ mang lại hiệu quả cao

1.4.4.3 Tác dụng của xỉ than khi gia cố với đất và vôi:

Trong chất thải công nghiệp như bột tro bay, đá bìa, cặn lò đều chứa thành phần

SiO2, Al2O3, Fe2O3, sau khi nguyên vật liệu được trộn đều, được hidrat hóa hình thành

thể kính Silic và nhôm, thể kính này sau khi được hydrat hóa và hợp với CaO sản sinh

ra phản ứng hóa học, phương trình hóa học của nó là:

Ca(OH)2+XSiO2+nH2O→XcaO.SiO2.H2O.Ca(OH)2+XAL3O2+nH2O→XcaO.AL2O3.H2O

Hydrat hóa chất hoạt tính nước phản ứng hóa học CaSiO3 (Al2O3, CaO) là một

thể kính dạng keo, thể kính dạng keo này không ổn định, phản ứng kéo dài theo thời

gian, dần dần cứng chắc, hình thành kết cấu hình mạng với cường độ cao, điều chỉnh

phối hợp nguyên vật liệu hợp lý và dưỡng hộ từ đó mà hình thành cường độ

1.4.4.4 Tác dụng của xỉ than khi gia cố với đất và Xi măng:

Nguyên lý cơ bản của việc gia cố xi măng đất là xi măng sau khi trộn với đất sẽ

sinh ra một loạt phản ứng hóa học rồi dần dần đóng rắn lại, các phản ứng chủ yếu của

chúng là các phản ứng của xi măng, tạo bộ khung để gắn kết các hạt đất và các hạt xỉ

than làm cho hỗn hợp bền hơn

1.4.5 Kết luận

- Như vậy việc hình thành cường độ của đất gia cố vôi là nhờ phản ứng của vôi

với nước và CO2 tạo thành lớp màng bao bọc liên kết các hạt đất; cường độ của đất gia

cố xi măng sản phẩm kết dính xi măng tạo ra bộ khung giữ cho kết cấu bền và cường

độ cao hơn

- Phản ứng pozzolanic giữa SiO2, Al2O3 có trong đất và xỉ với Ca(OH)2tạo

thành các chất kết tinh giúp tăng cường độ cho đất gia cố

- Ngoài ra, chính các yếu tố (thành phần hạt, c, ϕ) của đất tự nhiên cũng ảnh

hưởng lớn đến cường độ cho đất gia cố

1.5 Một số nghiên cứu gia cố đất trong và ngoài nước

1.5.1 Nghiên cứu trên thế giới

- Mishra [24] đã nổ lực để cải thiện độ ổn định của đất sét bằng việc tận dụng

vật liệu có sẵn tại địa phương như tro bay (FA) làn chất độn cho vôi vào gia cố đất

Đất được gia cố với hàm lượng tro bay tăng từ 10% đến 30% với sự kết hợp với vôi

2% và 3% Nó cho thấy rằng chỉ số CBR của hỗn hợp gia cố đất - tro bay - vôi lần lượt

là 70: 30: 3 cao đến 55% so với chỉ số CBR của đất chưa gia cố là 2,3% Tác giả

khuyến cáo việc sử dụng sự kết hợp này để ổn định cho nền đường vì nó liên quan đến

việc sử dụng tối đa hàm lượng tro bay trong khi giá trị CBR cao đáng kể

- Kolay et al [25] đã nghiên cứu ảnh hưởng việc bổ sung vôi, xi măng, và tro

bay vào gia cố cho đất than bùn từ vùng Sarawak của Indonesia Mẫu đất được thu

thập từ 6 địa điểm khác nhau Sarawak và đã được gia cố bằng cách sử dụng các chất

gia cố vôi, xi măng với hàm lượng nằm trong khoảng 5-20%, ngoại trừ tro bay hàm

lượng của nó nằm trong khoảng 2 – 8% Các tác giả cũng nghiên cứu sự kết hợp của

tro bay và vôi chưa tôi để nghiên cứu sự kết hợp có hiệu quả của gia cố Quét kính

hiển vi điện tử (SEM) đã được sử dụng để thực hiện phân tích vi mô để hiểu được sự

thay đổi cấu trúc của đất gia cố Các mẫu bảo dưỡng trong thời gian 7, 14, và 28 ngày

Nghiên cứu kết luận rằng sự kết hợp của vôi chưa tôi và tro bay tạo ra cường độ cao

hơn của đất than bùn gia cố khi so sánh với đất than bùn chưa gia cố vôi hoặc cũng

như khi chưa gia cố tro bay Người ta nhận thấy rằng xi măng đã tạo ra kết quả tốt nhất

trong việc gia cố đất than bùn nhưng 80% của cường độ đã được tạo ra bởi sự kết hợp

20% xi măng Portland, 15% tro bay và 6% vôi chưa tôi Do đó, cho thấy hiệu quả của

việc kết hợp các chất thải công nghiệp với các chất gia cố thông thường

- Wildetal [26] đã cố gắng để mở rộng các ứng dụng có ích của xỉ lò cao, cụ thể

là tăng cường cường độ, khả năng xuyên thấm clorua, chống ăn mòn sulphate và bảo

vệ chống lại phản ứng silic kiềm đối với vỉa hè và các ứng dụng đất nền khác bằng

cách thay thế một phần vôi trong quá trình gia cố đất bằng xỉ lò cao Các mẫu được

trộn ở độ ẩm tốt nhất và dung trọng khô lớn nhất bằng cách trộn đất, vôi và xỉ lò cao

trong máy trộn và nén chúng trong cái khuôn có kích thước 50mm x 100mm và được

bảo dưỡng trong túi nhựa đặt trong buồng được duy trì ở nhiệt độ 300C và 100% độ

ẩm tương đối Các mẫu được bảo dưỡng trong cát trong thời gian 7 ngày và 28 ngày và

chúng được thí nghiệm nén không nở hông Các mẫu được chọn lọc đã được sử dụng

cho nghiên cứu khoáng vật thông qua phân tích nhiễu xạ X-ray Nghiên cứu đã cho

thấy sự thay thế một phần của vôi và xỉ lò cao đã làm tăng cường độ cho mẫu gia cố ở

7 ngày cũng như 28 ngày tuổi

1.5.2 Nghiên cứu trong nước

- Nghiên cứu sử dụng tro bay nhà máy nhiệt điện Phả Lại để cải tạo đất xám

bạc màu ở xã Tây Đằng, huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội của Th.s Nguyễn Thị Bích

Ngọc [16]

- Nghiên cứu tro bay và ứng dụng trong xây dựng đường ô tô và sân bay trong

điều kiện Việt Nam của PGS.TS Phạm Huy Khang [4] đã chỉ cho chúng ta thấy rằng,

tro bay vốn là phế liệu của các nhà máy nhiệt điện chạy bằng than cám lúc này đây đã

trở thành một mặt hàng vật liệu xây dựng được nhiều người quan tâm Tro bay được

ứng dụng nhiều trong xây dựng công trình Nó là vật liệu làm bê tông xây dựng, ứng

dụng trong xây dựng đường ô tô và sân bay Trong bài nghiên cứu, tác giả đã đề xuất

ra một số hướng nghiên cứu về việc sử dụng phụ gia tro bay trong xây dựng đường

- Nghiên cứu ứng dụng xỉ than của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 làm vật

liệu đắp cho tường chắn có cốt của tác giả Hồ Ngọc Thành Trung và Nguyễn Thanh

Ninh [17]

- Nghiên cứu sử dụng xỉ than từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải làm cọc xỉ than

gia cố nền đường dẫn đầu cầu dự án nâng cấp đô thị vùng đồng bằng sông Cửu Long,

tiểu dự án TP Trà Vinh của nhóm tác giả Đoàn Ngọc Quận và Nguyễn Thị Mỹ Linh [18]

1.5.3 Kết luận

Sử dụng xỉ than đã được nghiên cứu rất nhiều trên thế giới và ở trong nước Các

nghiên cứu cho thấy việc sử dụng xỉ than trong việc nâng cao cường độ và độ bền

trong nước là hoàn toàn có cơ sở khoa học

1.6 Kết luận chương 1

Trong các nghiên cứu ở trên giới thiệu ở trên đã chỉ ra việc tận dụng nguồn phế thải

công nghiệp (xỉ than, tro bay) trong việc gia cố đất để làm vật liệu trong xây dựng là

có khả thi và mang lại hiệu quả kinh tế Các nghiên cứu cũng chỉ ra được hàm lượng

vôi tốt nhất sử dụng trong gia cố là khoảng 4-10% và hàm lượng xỉ than không quá

40%, hàm lượng xi măng tốt nhất sử dụng trong gia cố 4-12% Hàm lượng này ảnh

hưởng rất lớn đến cường độ của đất gia cố Tuy nhiên, trong các nghiên cứu này chỉ

quan niệm vật liệu đem gia cố (đất, bê tông) là vật liệu đồng nhất và chưa chỉ ra sự ảnh

hưởng của bản thân tính chất cơ lý của đất gia cố đến cường độ hỗn hợp đất sau gia cố

Trong khi đó, thực tế xây dựng, tính chất cơ lý này thay đổi khá nhiều [Phoon and

Kulhway, 1999] Do đó việc nghiên cứu ảnh hưởng của tính chất cơ lý của đất đến

cường độ của hỗn hợp gia cố là cần thiết

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM XÁC

ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CỦA HỖN HỢP GIA CỐ

2.1 Mở đầu

Để chỉ ra sự ảnh hưởng của bản thân tính chất cơ lý của đất gia cố đến cường độ

hỗn hợp đất sau gia cố Đồng thời, để xây dựng phương trình tương quan xét cộng

hưởng của các yếu tố (c,  ) và Rn, Edh cần phải tiến hành thí nghiệm xác định các

thông số đầu vào trên và hàm lượng vôi, xi măng, xỉ than

Hiện nay chưa có tiêu chuẩn, quy trình về thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của hỗn

hợp đất gia cố xỉ than, vôi Do đó, nghiên cứu sử dụng các tiêu chuẩn thí nghiệm của

các vật liệu tương đồng về tính chất để xác định các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp đất gia

cố xỉ than và vôi

Nguồn vật liệu đất thí nghiệm được lấy từ mỏ đất thuộc thôn Đàn Trung, xã

Tam Đàn, huyện Phú Ninh, tỉnh Quảng Nam Xỉ than được lấy từ bãi thải Nhà máy

nhiệt điện Nông Sơn, tỉnh Quảng Nam Các thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí

nghiệm đường và phòng thí nghiệm cơ đất, khoa Xây dựng cầu đường, trường Đại

Học Bách Khoa Đà nẵng

2.2 Quy hoạch mẫu thí nghiệm và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của đất gia cố

2.2.1 Quy hoạch số lượng mẫu thí nghiệm

Tham khảo theo kết luận từ bài nghiên cứu của [27],[28] cho thấy rằng sử dụng

xỉ than để gia cố đất với hàm lượng xỉ than 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, hàm

lượng vôi, xi măng thay đổi từ 2%, 4%, 6%, 8%, 10% đạt hiệu quả trong quá trình gia

cố bằng xỉ than với chất hoạt hóa là vôi

Từ đó ta định hướng cho hàm lượng xỉ than gia cố vào vật liệu thực nghiệm là

10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35% với hàm lượng vôi là 2%, 4%, 6%, 8%, 10% với

hàm lượng biến đổi như vậy ta tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu như sau: Dung trọng

và độ ẩm, cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi Eđh và thí nghiệm sức chống cắt của đất

tự nhiên Tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu ở các tuổi 14, 28,56, 90 ngày cho mẫu gia

cố vôi, thí nghiệm các chỉ tiêu ở các tuổi 14, 28 ngày cho mẫu gia cố xi măng

Bảng 2 1 Số lượng mẫu tiến hành thí nghiệm

Vị trí Kí hiệu tổ

Số mẫu thí nghiệm Vôi, Rn và Eđh Ghi Chú

Vị trí Kí hiệu tổ

Số mẫu thí nghiệm Vôi, Rn và Eđh Ghi Chú

Mẫu đất gia cố xỉ than, xi măng

Vị trí Kí hiệu tổ mẫu % Xỉ măng % Xi Số mẫu thí nghiệm xi măng

Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu

2.2.2 Thí nghiệm xác định thành phần hạt của đất

Áp dụng tiêu chuẩn (TCVN 4198-2014) [7]để xác định thành phần hạt của đất

Thí nghiệm phân tích các cỡ hạt đất bằng phương pháp rây sàng dùng tách rời các cỡ

hạt của đất qua những mắt lưới có kích thước đã biết để:

+ Xác định độ lớn cỡ hạt;

+ Tính được sự phân bố cỡ hạt;

+ Xếp hạng đất theo cỡ hạt

2.2.2.1 Định nghĩa

Thành phần hạt của đất là hàm lượng các nhóm hạt có độ lớn khác nhau ở trong

đất so với khối lượng của mẫu đất khô tuyệt đối đã lấy để phân tích, được biểu diễn

bằng tỷ lệ phần trăm

Xác định thành phần hạt là phân chia đất thành từng nhóm các cỡ hạt gần nhau

về độ lớn và xác định hàm lượng phần trăm của chúng

2.2.2.2 Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm

Cân kỹ thuật có độ chính xác đến 1g;

Bộ rây theo tiêu chuẩn;

Chảo, khay đựng mẫu

2.2.2.3 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm

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)

2.2.2.4 Trình tự thí nghiệm

- Lấy mẫu đất đã được chuẩn bị, cân khối lượng mẫu đất m0 với độ chính xác

1g Rải đất lên tấm cao su đã lau sạch, dùng chày hoặc con lăn bằng gỗ nghiền làm tơi

vụn đất; đảm bảo các hạt to không còn hạt nhỏ bám dính ở ngoài và đất rời thành các

hạt đơn lẻ;

- 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, thời gian sàng lắc tối thiểu là 10 phút

- Cân khối lượng từng nhóm hạt trên các cỡ sàng và phần lọt xuống ngăn đáy

2.2.2.5 Tính toán kết quả

- Tính % lượng sót riêng biệt trên từng sàng:

100%

i i m

G a G

ai: là phần trăm khối lượng sót trên sàng i

Gi: là khối lượng sót trên sàng i

Gm: là khối lượng ban đầu của mẫu

Aj: là phần trăm lượng lọt qua sàng j

Hình 2 2 Đường cong thành phần hạt của đất tự nhiên

2.2.2.7 Hình ảnh thí nghiệm

Hình 2 3 Bộ sàng tiêu chuẩn và quá trình thí nghiệm

2.2.3 Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn của đất gia cố

Áp dụng tiêu chuẩn đầm nén đất, đá dăm trong phòng thí nghiệm (22TCN

333-06) [5] để xác định chỉ tiêu độ ẩm tốt nhất và dụng trọng khô lớn nhất của hỗn hợp đất

+ vôi +xỉ than, đất + xi măng + xỉ than

Sử dụng cối A4 theo phương pháp thí nghiệm IA

Trước khi thí nghiệm cần phải trộn vật liệu đất với vôi cần phải ủ để giữ ẩm cho

hỗn hợp trong bình kín ít nhất là 2 giờ đến tối đa là 24 giờ rồi mới trộn với xỉ than, đối

với hỗn hợp gia cố xi măng không tiến hành ủ Sau đó tiến hành các bước sau:

1/ Cân khối lượng hỗn hợp Khoảng 5kg

2/ Xác định độ ẩm ban đầu của hỗn hợp bằng phương pháp sấy bằng tủ sấy

(Wb);

3/ Cân khối lượng chảo trộn (Gch – gam);

4/ Cho hỗn hợp vào chảo trộn, cân khối lượng chảo và hỗn hợp (Gch + hh) để

hỗn hợp trong chảo khoảng 5000g mẫu (Gw1);

5/ Tính lượng hỗn hợp khô trong chảo trộn: Gk1 = w1

(1 W )b

G

 (gam) (2.3)

6/ Tính lượng nước trộn thêm vào mẫu (Gn1, ml) để độ ẩm (Wm1) đạt khoảng 8

- 10% theo công thức: Gn1 = Gk1(Wm1 – Wb) (gam); (2.4)

7/ Đong đủ lượng nước Gn1 bằng ống lường, trộn đều nước vào hỗn hợp trong

chảo trộn;

8/Xác định kích thước cối Cân khối lượng cối không có thân cối trên (Gc,

gam);

9/ Cho mẫu vào trong cối (Khoảng 1/2 thân cối dưới), đầm 25 chày, đầm xong

chiều cao lớp hỗn hợp đầu tiên trong cối đạt khoảng 1/3 thân cối dưới;

10/ Làm xờm bề mặt lớp thứ nhất bằng que sắt hoặc dao;

11/ Tiếp tục đầm lớp thứ 2 (cho mẫu vào khoảng 3/4 cối dưới), đầm 25 chày;

đầm xong chiều cao lớp hỗn hợp thứ 2 trong cối đạt khoảng 2/3 chiều cao thân cối

dưới;

12/ Làm xờm bề mặt lớp thứ 2 bằng que sắt hoặc dao;

13/ Lắp cối trên, tiếp tục đầm lớp thứ 3 (cho mẫu vào khoảng 2/3 thân cối

trên), đầm 25 chày; đầm xong chiều cao lớp hỗn hợp thứ 3 trong cối xấp xỉ chiều cao

thân cối trên (cao hơn mặt cối dưới không qua 5mm);

14/ Tháo cối trên, dùng dao hoặc thước gọt hỗn hợp bằng mặt cối dưới;

15/ Vệ sinh sạch hỗn hợp bám bên ngoài và đáy cối, cân khối lướng hỗn hợp

và cối đước Ghh+c, gam;

16/ Tháo khuôn cối, dùng dao cắt dọc mẫu hỗn hợp, lấy khoảng 150g mẫu giữa

cối đem đi xác định độ ẩm W1;

17/ Bẻ vụn mẫu hỗn hợp cho vào chảo trộn, cân khối lướng chảo và hỗn hợp

còn lại được G2, lượng hỗn hợp còn lại trong chảo trộn: Gw2 = (G2 – Gch); (2.5)

18/ Tính toán lượng nước trộn thêm để độ ẩm tăng   w 2% 4%  so với Wm1

G

 ; (2.6)

19/ Lặp lại các bước từ 7 đến 16 cho đến khi khối lượng cối và đất không tăng

nữa thì làm khoảng 1 đến 2 lần nữa

2.2.3.3 Tính toán kết quả

g cm V

Bảng 2 3 Kết quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn của đất gia cố vôi

Tổ W0max γ kmax Tổ W0max γ kmax Tổ W0max γ kmax

Chi tiết thí nghiệm – xem phụ lục 3

Bảng 2 4 Kết quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn của đất gia cố xi măng

Hình 2 7 Cân khối lượng đất và xác định độ ẩm

2.2.4 Thí nghiệm cường độ chịu nén của đất gia cố

Áp dụng tiêu chuẩn TCVN 9843:2013 [11] Xác định mô đun đàn hồi của vật

liệu đất đá gia cố chất kết dính vô cơ trong phòng thí nghiệm và

TCVN10379:2014[13] gia cố đất bằng chất két dính vô cơ, hóa chất hoặc gia cố tổng

hợp, sử dụng trong xây dựng đường bộ - thi công và nghiệm thu để xác định cường độ

chịu nén và mô đun đàn hồi của mẫu gia cố

Trước khi thí nghiệm cần phải trộn vật liệu đất với vôi cần phải ủ để giữ ẩm cho

hỗn hợp trong bình kín ít nhất là 2 giờ đến tối đa là 24 giờ rồi mới trộn với xỉ than Sau

đó tiến hành các bước chế tạo cho 1 tổ mẫu (12 mẫu) bao gồm mẫu xác định cường độ

chịu nén và mẫu xác định mô đun đàn hồi như sau:

1/ Cân khối lượng hỗn hợp Khoảng 24kg

2/ Xác định độ ẩm ban đầu của hỗn hợp bằng phương pháp sấy bằng tủ sấy (W1);

3/ Cân khối lượng chảo trộn (Gch – gam);

4/ Cho hỗn hợp vào chảo trộn, cân khối lượng chảo và hỗn hợp (Gch+ hh) để hỗn hợp

trong chảo khoảng 24kg mẫu (Gw1);

5/ Tính lượng nước trộn thêm vào mẫu (Gn1, ml) để độ ẩm (Wm1) đạt độ ẩm tốt nhất

theo công thức: w1

1 1

(W W )(1 W )

7/ Cho mẫu vào trong cối (Khoảng 1/2 thân cối dưới), đầm 25 chày, đầm xong chiều

cao lớp hỗn hợp đầu tiên trong cối đạt khoảng 1/3 thân cối dưới;

8/ Làm xờm bề mặt lớp thứ nhất bằng que sắt hoặc dao;

9/ Tiếp tục đầm lớp thứ 2 (cho mẫu vào khoảng 3/4 cối dưới), đầm 25 chày; đầm xong

chiều cao lớp hỗn hợp thứ 2 trong cối đạt khoảng 2/3 chiều cao thân cối dưới;

10/ Làm xờm bề mặt lớp thứ 2 bằng que sắt hoặc dao;

11/ Lắp cối trên, tiếp tục đầm lớp thứ 3 (cho mẫu vào khoảng 2/3 thân cối trên), đầm

25 chày; đầm xong chiều cao lớp hỗn hợp thứ 3 trong cối xấp xỉ chiều cao thân cối

trên (cao hơn mặt cối dưới không qua 5mm);

14/ Tháo cối trên, dùng dao hoặc thước gọt hỗn hợp bằng mặt cối dưới;

15/ Dùng kích để lấy mẫu ra khỏi cối

16/ Lặp lại các bước từ 7 đến 14 cho các mẫu tiếp theo

2.2.4.3 Bảo dưỡng

Mẫu được bảo dưỡng bằng cách phủ lên mẫu một lớp cát dày từ 4 cm đến 5 cm

và tưới nước thường xuyên để làm ẩm Mẫu được bảo dưỡng ở 7 ngày tuổi và ngâm 7

ngày đối với mẫu đo ở 14 ngày tuổi, mẫu 28 ngày tuổi thì bảo dưỡng trong 21 ngày và

ngâm trong nước 7 ngày, mẫu 56 ngày tuổi thì bảo dưỡng trong 49 ngày và ngâm

trong nước 7 ngày, mẫu 90 ngày tuổi thì bảo dưỡng trong 81 ngày và ngâm trong nước

7 ngày

Hình 2 8 Bảo dưỡng và ngâm mẫu 2.2.4.4 Nén mẫu

Lấy các mẫu thí nghiệm ra khỏi nước, lau khô, đo lại kích thước mẫu, và sau đó

tiến hành thí nghiệm ngay để tránh thay đổi độ ẩm

Đặt mẫu vào giữa tâm bàn nén dưới của máy nén Khi bàn nén trên tiếp gần

mẫu, điều chỉnh bệ hình cầu để cho tiếp xúc đều;