Nghiên cứu ứng dụng gia cố đất cốt sợi trong ổn định bề mặt mái dốc

Có những nghiên cứu gia cố đất với vôi, xi măng, các hóa chất làm vật liệu ổn định nước rất tốt nhưng ứng xử giòn.. CHƯƠNG 3 : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT LATERITE GIA C

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN CHÁNH

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày… tháng… năm 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : NGUYỄN THỊ THU TRÀ Phái : Nữ

Chuyên ngành : Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

1 Tổng quan những nghiên cứu và ứng dụng đất gia cố trên thế giới và trong nước

2 Xây dựng cơ sở lí luận khoa học liên quan đến đề tài

3 Thực nghiệm các giải pháp gia cố đất laterite

4 Phân tích các yếu tố chính ảnh hưởng đến tính chất kĩ thuật của đất laterite đã gia cố

5 Trên cơ sở tính chất đất đạt được của đất laterite đã gia cố , ứng dụng thiết kế ổn định bề mặt mái dốc

PGS.TS Nguyễn Văn Chánh TS Lê Bá Khánh

Nội dung và đề cương Luận án Cao học đã được thông qua Hội đồng Chuyên ngành

Tp HCM, ngày tháng năm 200

dốc” được thực hiện từ tháng 15/06/2008 đến tháng 30/11/2008 với mục đích

nghiên cứu ứng dụng đất laterite cốt sợi đay có chất kết dính vôi,xi măng, polime vô

cơ làm lớp phủ chống xói lở mái dốc nền đắp

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Chánh đã giúp đỡ, tận tình hướng dẫn và cung cấp các thông tin cần thiết để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các Thầy Cô giáo trong Bộ môn Cầu Đường và Khoa Sau Đại học của Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên không tránh khỏi những hạn chế

và thiếu sót Tôi rất mong được sự đóng góp của quý Thầy Cô giáo và bạn bè đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn

Nguyễn Thị Thu Trà

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài nghiên cứu này do học viên Nguyễn Thị Thu Trà trực tiếp thực hiện tại Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Văn Chánh theo quyết định số 252/QĐ-ĐHBK-SĐH của Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh về việc giao đề tài luận văn thạc sĩ

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ công trình nào khác trừ những trích dẫn được ghi rõ nguồn gốc và tác giả

Học viên

Nguyễn Thị Thu Trà

cốt sợi trong ổn định bề mặt mái dốc” Luận văn được tiến hành trên cơ sở nghiên cứu lí luận về lí thuyết, thực nghiệm rút ra được những thông số cần thiết nhằm phục vụ cho công tác xây dựng mái dốc nền đường đắp vùng dễ bị xói lở

Nội dung

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

Kết cấu đường ô tô ổn định tổng thể phải dựa trên kết cấu nền ổn định, sự ổn

định của nền được đảm bảo nhờ ổn định bề mặt mái taluy Có nhiều hình thức gia

cố mái taluy trong đó có hình thức gia cố đất làm lớp phủ bảo vệ bề mặt chống xói

lở

Đã có nhiều nghiên cứu về đất gia cố sợi nhưng không đảm bảo ổn định nước vì đất nhạy cảm với nước Có những nghiên cứu gia cố đất với vôi, xi măng, các hóa chất làm vật liệu ổn định nước rất tốt nhưng ứng xử giòn Kết hợp hai cách gia cố này sẽ có được loại vật liệu ổn định nước, cường độ cao, và dẻo dai

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ KHOA HỌC

Phân tích đặc tính đất laterite

Cơ chế gia cố đất bằng vôi

Cơ chế gia cố đất bằng xi măng

Cơ chế gia cố đất bằng polime vô cơ

Cơ chế ứng xử của đất cốt sợi

Cơ chế xói lở bề mặt mái dốc và cơ sở thiết kế lớp phủ bề mặt

CHƯƠNG 3 : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐẤT LATERITE GIA CỐ TỔNG HỢP VÔI+XI MĂNG+ POLIME VÔ CƠ + SỢI PHÂN TÁN

Tiến hành các thí nghiệm trong phòng : nén, ép chẻ, đo module đàn hồi vật

liệu, đo độ hút nước , hệ số mềm vật liệu Qua các kết quả thực nghiệm xác định

hàm lượng các chất gia cố tối ưu : 8% vôi, 8% xi măng, 8ml Hóa chất /100gr đất và 0,75% sợi đay

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN ĐỀ XUẤT KẾT CẤU LỚP PHỦ CHỐNG XÓI

LỞ MÁI DỐC NỀN ĐƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU ĐẤT CPSĐ GIA CỐ TỔNG HỢP

Đề xuất và tính toán lớp phủ gia cố bề mặt mái dốc đảm bảo không xói lở

bằng vật liệu nghiên cứu

Tính toán và kiến nghị mở rộng phạm vi áp dụng vật liệu nghiên cứu vào kết cấu áo đường vì cường độ kéo cao, module đàn hồi cao, bền nước, chịu biến dạng lớn và dẻo dai

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ

Đất laterite sau khi gia cố vôi+ xi măng+ polime vô cơ+ sợi trở thành hệ vật liệu có cường độ rất cao, hình thành cường độ cao ngay từ ngày đầu, nâng cao khả năng bền nước lên vượt trội, đồng thời cảo thiện khả năng chịu kéo và rất dẻo dai Vật liệu này thể hiện sự thích hợp cho những ứng dụng trong công trình mái dốc và mặt đường

slope surfical erosion “ The thesis was carried out based on theory research asscociated with experiment to definite parameters to design a liner to protect slope from surficial erosion

Chapter 1 : Over view

The general stability of road is based on the stability of embankment, and surficial slope stability plays an important role to ensure the stability of embankment from erosion One of the solutions to protect surficial slope is using soil stabilization in veneer

There were many studies in natural fiber reinfored soil bui the material’s strength decreases in soak condition due to the sensitive of the soil Besides, there were many research on soil stabilization with lime, cement, additives, etc , this makes the material maintain the strength even in soak condition, and this also makes the material is stiffer and brittle Combination two above stabilization methods, we can obtain the material with high strength, and toughness behavior

Chapter 2: Scientific fundament

Properties of lateritic soil

Soil stabilization mechanism with lime

Soil stabilization mechanism with cement

Soil stabilization mechanism with inorganic polymer

Ductile behavior of fiber composites

Surficial slope erosion mechanism and stability design of veneer for maximum allowable velocity method

Chapter 3: Experiments on properties of soil-cement-inorganic polymer-fiber reinforced lateritic soil

The laboratory unsaturated and saturated unconfined compression tests, indirect tensile strength tests, relisient module tests, water absorption tests were carried out to definite the reasonable content of lime, cement, inorganic polymer and fiber to improve mechanical characteristics of lateritc soil Optimum lime content is 8 weitght %, cement content is 8 weitght %, inorganic poymer content is 8ml per 100 gr dry soil And optimum fiber dosage is 0,75 % dry soil weight with fiber length of 20mm

Chapter 4: Design slope liner to prevent from surficial erosion

Apply lime-cement-inorganic polymer-fiber reinforced lateritic soil to make

a liner of slope to protect embankment from erosion This liner is designed by maximum permissible velocity method

Suggest to extend the application of this material for pavements because of its properties such as: high density, high tensile strength, high relisient module, water stability , high strain, and ductility

Chapter 5: Conclusion and petition

Jute fiber- Lateritic soil stabilized with lime, cement, inorganic polymer showed properties which are appropriate to construct veneer structure to protect slope from erosion and pavement

TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về đất gia cố chất liên kết vô cơ với sợi phân tán và giải pháp gia cố chống xói lở bề mặt mái dốc nền đắp 2

1.2.1 Các nghiên cứu về đất + sợi thiên nhiên 2

1.2.2 Các nghiên cứu về đất + chất kết dính vô cơ 4

1.2.3 Các nghiên cứu về đất + sợi tổng hợp 7

1.2.4 Các ứng dụng của vật liệu đất cốt sợi 8

1.2.5 Mục tiêu nghiên cứu 11

1.2.6 Nội dung nghiên cứu 11

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 12

2.1 Hệ nguyên vật liệu 12

2.1.1 Đất laterite (CPSĐ): 12

2.1.1.1 Nguồn gốc hình thành 12

2.1.1.2 Thành phần khoáng vật- hóa học 14

2.1.1.3 Cấu trúc đất laterit 16

2.1.1.4 Tính chất kĩ thuật của đất laterite 20

2.1.2 Vật liệu vôi dùng trong gia cố: 22

2.1.3 Vật liệu xi măng dùng trong gia cố 22

2.1.4 Hợp chất polime vô cơ 23

2.1.5 Sợi phân tán 23

2.2 Cơ chế hình thành cường độ khi gia cố đất với vôi 25

2.3 Cơ chế hình thành cường độ khi gia cố đất với Xi măng: 27

2.3.1.1 Sự hydrat hóa các khoáng C3S: 27

2.3.1.2 Sự hydrat hóa khoáng C2S: 27

2.3.1.3 Sự hydrat hóa của khoáng Aluminat Canxi: 28

2.3.1.4 Sự hydrat hóa của khoáng alumoferit – tetracalcite C4AF 28

2.4 Cơ chế gia cố đất bằng polime vô cơ 28

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ và độ ổn định của CPSĐ gia cố với vôi+ximăng+hợp chất polime vô cơ 29

2.6 Tính chất của vật liệu composite đất cốt sợi 31

2.6.1 Tương tác giữa sợi và nền 31

2.6.1.5 Tương tác giữa sợi và nền đồng nhất không nứt 31

2.6.1.6 Tương tác giữa sợi và nền bị nứt 34

2.6.2 Ứng xử chịu kéo 35

2.6.2.7 Hoạt động của sợi trong nền vật liệu giòn 35

2.6.2.8 Ứng xử chịu kéo của vật liệu cốt sợi 37

2.6.3 Ứng xử chịu uốn 39

2.6.3.9 Cơ chế đóng góp của sợi khi chịu uốn 39

2.6.3.10 Tính dẻo dai 41

2.7 Cơ chế xói lở bề mặt đất (mái dốc) 46

2.7.1 Cơ chế 46

2.7.2 Các dạng xói do nước 48

2.7.3 Giải pháp kiểm soát xói lở bề mặt 50

2.7.4 Quan điểm thiết kế dựa trên vận tốc cho phép không xói 50

SỢI PHÂN TÁN 56

3.1 Hệ nguyên vật liệu trong thí nghiệm 56

3.1.1 Đất laterit 56

3.1.2 Vôi 58

3.1.3 58

3.1.4 Xi măng 59

3.1.5 Hợp chất polime vô cơ 60

3.1.6 Sợi đay 60

3.2 Mục tiêu của nghiên cứu thực nghiệm 60

3.3 Tiêu chuẩn thí nghiệm 60

3.4 Tiến hành thí nghiệm 60

3.4.1 Cấp phối sỏi đỏ gia cố vôi 60

3.4.1.1 Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn để tìm dung trọng tối đa và độ ẩm tối thuận ứng với các tỉ lệ gia cố như sau 60

3.4.1.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của CPSĐ gia cố hàm lượng vôi khác nhau 62

3.4.1.3 Nhận xét và kiến nghị 63

3.4.2 Cấp phối sỏi đỏ gia cố vôi – xi măng 64

3.4.2.4 Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn để tìm dung trọng và độ ẩm tối thuận của đất gia cố 8% vôi ứng với các tỉ lệ xi măng khác nhau 64

3.4.2.5 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của CPSĐ gia cố 8% vôi ứng với các tỉ lệ xi măng khác nhau 66

3.4.2.6 Thí nghiệm xác định cường độ ép chẻ của CPSĐ gia cố 8% vôi ứng với các tỉ lệ xi măng khác nhau 67

3.4.2.7 Thí nghiệm xác định module đàn hồi của CPSĐ gia cố 8% vôi ứng với các tỉ lệ xi măng khác nhau 68 3.4.2.8 Kết luận- kiến nghị 69 3.4.3 Cấp phối sỏi đỏ gia cố vôi – xi măng- polime vô cơ 70 3.4.3.1 Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn để tìm dung trọng và độ ẩm tối thuận của đất gia cố 8% vôi ,8% xi măng ứng với các tỉ lệ hóa chất khác nhau 70 3.4.3.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng ứng với các tỉ lệ hóa chất khác nhau 72 3.4.3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng hóa chất đến cường độ nén bão hòa hỗn hợp CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng 74 3.4.3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng hóa chất đến độ hút nước của hỗn hợp CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng 75 3.4.3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng hóa chất đến hệ số mềm của hỗn hợp CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng 76 3.4.3.6 Kết luận- kiến nghị 77 3.4.4 Cấp phối sỏi đỏ gia cố vôi – xi măng- polime vô cơ- sợi phân tán 78 3.4.4.1 Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn tìm γkmax dung trọng và wopt của đất gia cố 8% vôi ,8% xi măng, 8ml HC/100gr đất ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 78 3.4.4.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén (Rn) của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng, 8ml HC/100gr đất ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 81 3.4.4.3 Thí nghiệm xác định cường độ kháng kéo (Rec) của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng, 8ml HC/100gr đất ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 82 3.4.4.4 Thí nghiệm xác định độ hút nước Hp(%) của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng, 8ml HC/100gr đất ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 84

các hàm lượng sợi khác nhau 85

3.4.4.6 Thí nghiệm xác định Hệ số mềm (Km) của CPSĐ gia cố 8% vôi +8% xi măng+ 8ml HC/100gr + sợi đất ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 86

3.4.4.7 Thí nghiệm xác định module đàn hồi của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng, 8ml HC/100gr + sợi đất ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 87 3.4.4.8 Đường cong quan hệ ứng suất-biến dạng nén nở hông tự do 88

3.4.4.9 Kết luận- kiến nghị 91

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN ĐỀ XUẤT KẾT CẤU LỚP PHỦ CHỐNG XÓI LỞ MÁI DỐC NỀN ĐƯỜNG BẰNG VẬT LIỆU ĐẤT CPSĐ GIA CỐ TỔNG HỢP 93

4.1 Tính toán giải pháp lớp phủ bề mặt taluy nền đắp 93

4.1.1 Sơ đồ kết cấu 93

4.1.2 Các thông số tính toán 93

4.1.3 Kiểm tra điều kiện chống xói lở bề mặt cho mái dốc nền đắp không gia cố 94

4.1.4 Gỉai pháp chống xói mòn bề mặt 94

4.1.5 Hình thức xây dựng mái taluy gia cố 95

4.1.5.1 Xây dựng nền đường trước, mái taluy sau : 95

4.1.5.2 Xây dựng mái taluy đồng thời với đắp đất thân nền đường : 96

4.1.5.3 Đề xuất qui trình công nghệ chế tạo đất gia cố tổng hợp : 97

4.2 Kiến nghị mở rộng phạm vi áp dụng vật liệu nghiên cứu cho kết cấu áo đường 98

4.2.1 Kết cấu hệ hai lớp 99

4.2.1.4 Trường hợp dùng CPSĐ không gia cố 99

4.2.1.5 Trường hợp dùng CPSĐ gia cố 100

4.2.2 Kết cấu hệ ba lớp 101

4.2.2.1 Trường hợp tầng móng là vật liệu CPSĐ không gia cố 101

4.2.2.2 Trường hợp tầng móng là vật liệu CPSĐ gia cố 102

4.2.3 Kết cấu hệ bốn lớp 103

4.2.3.1 Trường hợp tầng móng là vật liệu CPSĐ 103

4.2.3.2 Trường hợp tầng móng là vật liệu CPSĐ gia cố 104

4.2.4 Nhận xét 105

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 106

5.1 Kết luận – kiến nghị 106

5.2 Hạn chế của đề tài 107

(Kumar, 2001) 3

Hình 1-2 Kết quả thí nghiệm nén và CBR của Marandi (2008) 4

Hình 1-3 Cách gia cố hai chiều song song bề mặt mái dốc bằng lưới địa kĩ thuật 9

Hình 1-4 Đường và sân bay quân sự bằng đất gia cố sợi tổng hợp 10

Hình 1-5 Sợi kiểm soát vết nứt trong đất dính: (a) 0.3% sợi , (b) 0% sợi Sau 1 chu kì ẩm -khô 10

Hình 2-1 Màu đỏ nâu của đất laterite là do oxit sắt goethite và hematite 13

Hình 2-2 : Cấu trúc hạt keo 18

Hình 2-3 Tương tác sợi- nền, nền không nứt : (a) không tải, (b) chịu kéo, (c) chịu nén 32

Hình 2-4 Sợi và nền bám dính hoàn toàn đàn hồi (a) và sợi – nền mất bám dính một phần (b) 35

Hình 2-5 : Đường quan hệ ứng suất kéo- biến dạng của vật liệu composite sợi trong nền giòn : (a) tỉ lệ thể tích sợi thấp, (b) tỉ lệ thể tích sợi trung bình, (c) tỉ lệ thể tích sợi rất cao 37

Hình 2-6: Ba vùng trong quan hệ ứng suất kéo- biến dạng của vật liệu composite có tỉ lệ thể tích sợi cao 37

Hình 2-7 : Đường cong điển hình tải trọng – độ võng của vật liệu composite cốt sợi 40

Hình 2-8 : Mặt cắt ngang dầm, phân bố biến dạng và ứng suất 40

Hình 2-9 : Quan hệ ứng suất - chuyển vị của vật liệu giòn 42

Hình 2-10 : Chỉ số dẻo dai tính theo ASTM 44

Hình 2-11 : Đường cong tải trọng – biến dạng của vật liệu đàn hồi- dẻo lí tưởng 45

Hình 2-12 Xói mòn và vận chuyển vật liệu xói bằng dòng chảy 46

Hình 2-13 Hạt mưa rơi va đập vào bề mặt đất ( Springer 1976) 47

Hình 2-14 Sơ đồ mô tả lực tác dụng của dòng chảy mặt lên phần tử hạt 47

Hình 2-15 Xói theo lớp mỏng trên toàn bề mặt 48

Hình 2-16 Rãnh xói trên taluy nền đường đào 49

Hình 2-17 Dạng xói hình thành mương xói 50

Hình 2-18 Đổ đá bảo vệ mái dốc 50

Hình 2-19 Vận tốc cơ sở theo kích cỡ hạt 53

Hình 2-20 Hệ số B 54

Hình 2-21 Hệ số A 54

Hình 2-22 Hệ số F 54

Hình 2-23 Hệ số D 55

Hình 2-24 Hệ số Ce 55

Hình 3-1 Đất laterite thí nghiệm 56

Hình 3-2 Đường cong cấp phối hạt của đất laterite tự nhiên 57

Hình 3-3 Kết quả đầm nén đất laterite nghiên cứu 58

Hình 3-4 Kết quả đầm nén Đất+4% vôi 61

Hình 3-5 Kết quả đầm nén Đất + 6% vôi 61

Hình 3-6 Kết quả đầm nén Đất+8 % vôi 61

Hình 3-7 Kết quả đầm nén Đất+10% vôi 62

Hình 3-8 Quan hệ giữa cường độ kháng nén (Rn) với hàm lượng vôi ở 28 ngày tuổi 63

Hình 3-9 Kết quả thí nghiệm đầm nén Đất+8% vôi+ 4% xi măng 64

Hình 3-10 Kết quả thí nghiệm đầm nén Đất+8% vôi+ 6% xi măng 65

Hình 3-11 Kết quả thí nghiệm đầm nén Đất+8% vôi+ 8% xi măng 65

Hình 3-12 Kết quả thí nghiệm đầm nén Đất+8% vôi+ 4% xi măng 65

Hình 3-13 Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ kháng nén của đất+8% vôi+ xi măng 67

Hình 3-14 Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ kháng kéo của đất+8% vôi 68

Hình 3-16 Sự phát triển cường độ của đất+8%vôi+8% xi măng theo thời gian 70Hình 3-17 Kết quả thí nghiệm đầm nén Đất+8% vôi+ 8% xi măng+ 4ml HC/100gr đất 71Hình 3-18 Kết quả thí nghiệm đầm nén Đất+8% vôi+ 8% xi măng+ 6ml HC/100gr đất 71Hình 3-19 Kết quả thí nghiệm đầm nén Đất+8% vôi+ 8% xi măng+ 8ml HC/100gr đất 72Hình 3-20 Kết quả thí nghiệm đầm nén Đất+8% vôi+ 8% xi măng+ 10ml HC/100gr đất 72Hình 3-21 Cường độ chịu nén của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng ứng với các tỉ lệ hóa chất khác nhau ở 1 và 28 ngày tuối 73Hình 3-22 Cường độ chịu nén bão hòa của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng ứng với các tỉ lệ hóa chất khác nhau 74Hình 3-23 Độ hút nước của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng ứng với các tỉ lệ hóa chất khác nhau 75Hình 3-24 Hệ số mềm của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng ứng với các tỉ lệ hóa chất khác nhau 76Hình 3-25 Kết quả thí nghiệm đầm nén Đất+8% vôi+ 8% xi măng+ 8ml HC/100gr đất+ 0,25% sợi 79Hình 3-26 Kết quả thí nghiệm đầm nén Đất+8% vôi+ 8% xi măng+ 8ml HC/100gr đất+ 0,5% sợi 79Hình 3-27 Kết quả thí nghiệm đầm nén Đất+8% vôi+ 8% xi măng+ 8ml HC/100gr đất+ 0,75% sợi 80Hình 3-28 Kết quả thí nghiệm đầm nén Đất+8% vôi+ 8% xi măng+ 8ml HC/100gr đất+ 1% sợi 80

Hình 3-29 Cường độ chịu nén (Rn) của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng, 8ml HC/100gr đất + sợi ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 81Hình 3-30 Cường độ kháng kéo (Rec) của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng, 8ml HC/100gr đất + sợi ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 83Hình 3-31 Độ hút nước của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng, 8ml HC/100gr đất + sợi ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 84Hình 3-32 Cường độ nén bão hòa của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng, 8ml HC/100gr đất + sợi ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 85Hình 3-33 Hệ số mềm của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng, 8ml HC/100gr đất + sợi ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 86Hình 3-34 Module đàn hồi của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng, 8ml HC/100gr đất + sợi ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 87Hình 3-35 Quan hệ lực nén- biến dạng thẳng đứng của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng, 8ml HC/100gr đất + sợi ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 89Hình 3-36 Quan hệ ứng suất- biến dạng tương đối của CPSĐ gia cố 8% vôi ,8% xi măng, 8ml HC/100gr đất + sợi ứng với các hàm lượng sợi khác nhau 89

của nó tương ứng 15Bảng 2-2 Tính chất một số sợi thiên nhiên 23Bảng 2-3 Vận tốc cho phép của một số vật liệu [11] 51Bảng 2-4 Vận tốc cho phép không xói của một số vật liệu , theo USDA.[ 11] 51Bảng 3-1 Tổng hợp kết quả thí nghiệm thành phần hạt đất laterite tự nhiên 56Bảng 3-2 Thành phần hạt của vôi dùng gia cố 58Bảng 3-3 Các chỉ tiêu của xi măng PCB 40 dùng gia cố 59Bảng 3-4 Tổng hợp dung trọng khô tối đa và độ ẩm tối ưu khi đầm nén đất với các hàm lượng vôi khác nhau 62Bảng 3-5 Tổng hợp cường độ nén Rn của đất+ vôi theo các hàm lượng vôi khác nhau 63Bảng 3-6 Tổng hợp γkmax và Wopt của đất+ 8%vôi + xi măng theo các hàm lượng xi măng khác nhau 66Bảng 3-7 Tổng hợp cường độ nén Rn của đất+ 8% vôi+ xi măng theo các hàm lượng xi măng khác nhau 66Bảng 3-8 Tổng hợp cường độ ép chẻ Rec của đất+ 8% vôi+ xi măng theo các hàm lượng xi măng khác nhau 67Bảng 3-9 Tổng hợp cường độ ép chẻ Rec của đất+ 8% vôi+ xi măng theo các hàm lượng xi măng khác nhau 68Bảng 3-10 Tổng hợp cường độ nén của đất +8%vôi+8%xi măng theo thời gian 69Bảng 3-11 Tổng hợp γkmax và Wopt của đất+ 8%vôi + 8% xi măng + HC polime vô cơ theo các hàm lượng HC khác nhau 72Bảng 3-12 Tổng hợp Rn của đất+ 8%vôi + 8% xi măng + HC polime vô cơ theo các hàm lượng HC khác nhau ở 28 ngày tuổi 72

Bảng 3-13 Tổng hợp Rn của đất+ 8%vôi + 8% xi măng + HC polime vô cơ theo các hàm lượng HC khác nhau ở 1 ngày tuổi 73Bảng 3-14 Tổng hợp Rn(bh) của đất+ 8%vôi + 8% xi măng + HC polime vô

cơ theo các hàm lượng HC khác nhau 74Bảng 3-15 Tổng hợp Hp(%) của đất+ 8%vôi + 8% xi măng + HC polime vô

cơ theo các hàm lượng HC khác nhau 75Bảng 3-16 Tổng hợp Km của đất+ 8%vôi + 8% xi măng + HC polime vô cơ theo các hàm lượng HC khác nhau 76Bảng 3-17 Tổng hợp cường độ nén của đất +8%vôi+8%xi măng+ 8ml HC/100gr đất theo thời gian 77Bảng 3-18 Tổng hợp γkmax và Wopt của đất+ 8%vôi + 8%xi măng+8ml HC/100gr đất + sợi theo các hàm lượng sợi khác nhau 80Bảng 3-19 Tổng hợp Rn của đất+ 8%vôi + 8% xi măng + 8ml HC/100gr đất +sợi theo các hàm lượng sợi khác nhau 81Bảng 3-20 Tổng hợp Rec của đất+ 8%vôi + 8% xi măng + 8ml HC/100gr đất +sợi theo các hàm lượng sợi khác nhau 82Bảng 3-21 Tổng hợp Hp(%) của đất+ 8%vôi + 8% xi măng + 8ml HC/100gr đất +sợi theo các hàm lượng sợi khác nhau 84Bảng 3-22 Tổng hợp Rn(bh) của đất+ 8%vôi + 8% xi măng + 8ml HC/100gr đất +sợi theo các hàm lượng sợi khác nhau 85Bảng 3-23 Tổng hợp hệ số mềm Km của đất+ 8%vôi + 8% xi măng + 8ml HC/100gr đất +sợi theo các hàm lượng sợi khác nhau 86Bảng 3-24 Tổng hợp E của đất+ 8%vôi + 8% xi măng + 8ml HC/100gr đất +sợi theo các hàm lượng sợi khác nhau 87Bảng 3-25 Biến dạng khi phá hoại của đất+8%vôi+8%xi măng+ 8ml HC/100gr đất + sợi theo hàm lượng sợi 90Bảng 3-26 Chỉ số dẻo dai của vật liệu đất+8%vôi+8%xi măng+ 8ml HC/100gr đất+ sợi theo hàm lượng sợi 91

Bảng 4-2 Kết quả tính toán Ech1 kết cấu hệ 2 lớp dùng vật liệu CPSĐ gia cố 100Bảng 4-3 Kết quả tính Ech cho hệ 3 lớp mặt BTN thô 5cm, móng CPSĐ 101Bảng 4-4 Kết quả tính toán Ech2 kết cấu hệ 3 lớp, mặt BTN thô 5cm, móng CPSĐ gia cố 102Bảng 4-5 Kết quả tính toán Ech3 kết cấu hệ 4 lớp, mặt BTN mịn 3cm, BTN trung 4cm, móng CPSĐ 103Bảng 4-6 Kết quả tính toán Echm toàn bộ kết cấu hệ 4 lớp, mặt BTN mịn 3cm, BTN trung 4cm, móng CPSĐ gia cố 104

Chương 1 TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ ĐẤT GIA CỐ

TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC

1.1 Đặt vấn đề

Đường ô tô là một kết cấu có hai bộ phận chính là kết cấu mặt và kết cấu nền, chất lượng phục vụ của kết cấu mặt đường phụ thuộc nhiều vào sự ổn định của kết cấu nền Kết cầu nền đường thường là đất địa phương nhất là ở một số vùng địa chất như Khánh Hòa, Lâm Đồng thì phổ biến là đẩt rời rất dễ bị xói lở Cộng thêm điều kiện công nghệ- vật liệu xây dựng đường và điều kiện môi trường khắc nghiệt ở Việt Nam, rất nhiều công trình đường có các bộ phận kết cấu là đất bị sạt

lở, xói mòn Nguyên nhân chủ yếu là do mái dốc không được bảo vệ chống lại các tác động của môi trường nhất là dòng chảy mặt, lâu ngày sự bóc dần các hạt đất trên

bề mặt dẫn đến mất đất với khối lượng lớn, kết cấu đất bề mặt bị giảm yếu tạo thành các khe xói, rãnh xói tạo điều kiện cho nước thấm sâu vào thân nền đường gây sạt

lở toàn khối

Muốn ngăn chặn hiện tưởng sạt lở, phải ngăn chặn sự phá hoại ngay từ bề mặt của kết cấu nghĩa là trước tiên phải đảm bảo bề mặt mái dốc không bị xói mòn bằng cách tạo ra lớp phủ bề mặt có cường độ cao ngay cả khi ngập nước, đặc chắc ( giảm

sự thấm của nước vào nền đường), tính toàn khối cao ( không phát sinh vết nứt để nước xâm nhập)

Yêu cầu này có thể thực hiện được nhờ biện pháp gia cố đất tại chỗ làm lớp phủ mái dốc Đất có thể được gia cố bằng giải pháp hóa học với việc đưa thêm xi măng, vôi, các phụ gia vào đất làm cho đất có cường độ vượt trội hơn, bền nước, đặc chắc nhưng bên cạnh đó làm cho đất ứng xử như vật liệu giòn và dễ phát sinh vết nứt, giảm tính toàn khối, nước dễ xâm nhập và phá hủy

Ta đã biết lớp phủ mái dốc thường xuyên chịu chu kì khô ẩm, đất sẽ co ngót

và phát sinh vết nứt Trong khi tác dụng gia cường chủ yếu của sợi là nâng cao tính dẻo dai và chống nứt và cường độ kéo uốn cũng được tăng cao

Trang 2

Kết hợp các giải pháp trên với nhau : kết hợp giải pháp thêm các chất hóa học và giải pháp dùng thêm sợi phân tán : sợi thiên nhiên, tổng hợp, phế thải trong công nghiệp …, sẽ tạo ra một giải pháp tổng hợp để cải thiện các tính chất cơ lý của bản thân đất tại chỗ, đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật của công trình và tận dụng vật liệu địa phương, giảm chi phí trong xây dựng đường Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu dùng sợi tổng hợp ( poly propylene, polymeric, nylon…), tuy nhiên sợi này có giá thành rất cao, trong khi công trình đường có tính chất tuyến (kéo dài) nên khối lượng gia cố lớn dẫn đến giá thành sẽ rất cao Trong khi sợi thiên nhiên như sợi đay lại sẵn có ở nước ta, sản lượng dồi dào, giá thành rất rẻ

Do vậy để tận dụng tài nguyên đất laterite phân bố rộng khắp cả nước, tránh lãng phí, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng gia cố đất cốt sợi trong ổn định bề mặt mái dốc “ nhằm mục đích cải biến các tính chất của đất laterite được tốt hơn nhằm xây dựng những công trình đường rộng khắp phục vụ đời sống kinh tế xã hội của nhân dân

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về đất gia cố chất liên kết vô cơ với sợi phân tán và giải pháp gia cố chống xói lở bề mặt mái dốc nền đắp

1.2.1. Các nghiên cứu về đất + sợi thiên nhiên

Để ổn định mái dốc nền đào và làm kết cấu áo đường Kumar (2001) đã dùng đất laterit gia cố sợi đay chiều dài 20mm và 30mm với các hàm lượng 0%, 0.2%, 0.4%, 0.6% Kết quả thí nghiệm cho thấy khi tăng hàm lượng sợi thì lực dính C của đất tăng lên , góc ma sát trong  giảm xuống, cường độ chịu kéo cũng tăng rất đáng

kể ( lên đến 34KN/m2 với 0.6% sợi) Riêng lực nén nở hông thì đạt cực đại khi tăng hàm lượng sợi đến 0.4% , khi thêm sợi đến 0.6% thì cường độ nén lại giảm nên kiến nghị hàm lượng sợi hợp lý là 0,4% Tỉ lệ hình dạng sợi l/d càng cao thì càng làm tăng các chỉ tiêu cường độ nén , kéo, sức chống cắt(C,)

Tuy nhiên nghiên cứu này không xác định được độ bền nước của đất laterite+ sợi nên không thể kết luận vật liệu có ổn định cường độ khi chịu ẩm ướt không Trong khi đất laterite trong thành phần có hạt sét khá nhạy cảm với nước

Hình 1-1 Kết quả thí nghiệm nén, kéo, sức chống cắt của đất laterite + sợi đay (Kumar, 2001)

Ở Iran, sợi cọ với sản lượng địa phương rất dồi dào, Marandi (2008) đã dùng sợi cọ để gia cường đất cát pha bụi và nghiên cứu các chỉ tiêu cường độ nén, cường

độ cắt, và chỉ số CBR với hàm lượng sợi là 0%, 0.25%, 0.75%, 1%, 1,5%, 2%, 2.5% và với hai chiều dài sợi là 20mm, 40mm Kết quả cũng cho thấy sợi làm gia tăng cường độ nén của đất, sự gia tăng là rất đáng kể : từ 31,4 KPa (0% sợi) đến 523,1 KPa (2,5% sợi), chỉ số CBR cũng tăng rõ rệt khi tăng hàm lượng sợi và chiều dài sợi

Một kết quả đáng chú ý là sau khi ngâm bão hòa thì chỉ số CBR của vật liệu giảm còn khoảng 70% so với vật liệu không ngâm bão hòa Đối với công trình tiếp xúc môi trường nước như mái dốc thì cần thiết phải nâng cao độ ổn định cường độ lên nữa

Trang 4

Hình 1-2 Kết quả thí nghiệm nén và CBR của Marandi (2008)

1.2.2. Các nghiên cứu về đất + chất kết dính vô cơ

Từ thời cổ La mã, người ta đã biết sử dụng vôi để làm đường Người ta đã dùng vôi trộn với đất sét nhằm tăng cường độ và giảm khả năng tan rã của đất sét Đất gia cố vôi đã được biết đến từ lâu nhưng việc nghiên cứu kỹ lưỡng và có

hệ thống về nó mới chỉ vài chục năm trở lại đây Đất gia cố vội được sử dụng để xây dựng các lớp áo đường với quy mô rộng rãi trong khoảng từ cuối những năm 70

ở nhiều nước trên thế giới

Kết quả nghiên cứu của các tác giả như M.M Filatov , V.V Okhontin, V.M Bezruk, E.G Boricova v.v… cho thấy khi gia cố đất bằng vôi các quá trình hình thành cấu trúc thứ sinh đã làm biến đổi cơ bản tính chất của đất, khiến cho đất có

thể chịu lực và ổn định nước hơn so với đất không gia cố Quá trình hình thành cường độ của đất gia cố vôi diễn ra trong khoảng thời gian dài, là tổng hợp các quá trình lý-hóa Hóa học và vật lý, các quá trình này xảy ra đồng thời khi vôi hóa cứng Đây là các quá trình thủy hóa và tái kết tinh của vôi, tạo thành hydro silica canxi và cac bonat hóa Khi gia cố đất vôi tham gia tác dụng tương hỗ lý hóa và hóa học với các hạt mịn phân tán trong đất tạo nên chất kết dính “vôi đất”, chất kết dính này trong quá trình biến cứng lại liên kết các khung cốt liệu của đất lại với nhau và tạo cho hỗn hợp đất-vôi trở nên toàn khối và vững chắc Các kết quả nghiên cứu tiến hành ở Viện nghiên cứu khoa học đường bộ Liên Xô, ở Mỹ, Pháp CH dân chủ Đức cũ… đã chỉ ra rằng: nếu đất cát và á cát trong khi gia cố với vôi được bổ sung thêm các thành phần phụ gia khác (các loại tro bay hay các chất điện phân) thì có thể cho cường độ cao hơn Kết quả này cho phép mở rộng diện gia cố vôi với nhiều loại đất khác nhau Sự tương tác giữa vôi với các hạt sét mịn phân tán hoặc tro bay sẽ làm cho vôi từ chỗ là chất kết dính biến cứng trong không khí trở thành chất kết dính biến cứng được trong nước và chỉ biến cứng mạnh trong điều kiện ẩm Vôi để gia

cố đất thường dùng là vôi cục nghiền (chưa tôi), vôi thủy hóa (đã tôi rồi) hoặc vôi chưa tôi kỵ nước Người ta có thể sử dụng vôi như chất liên kết độc lập hoặc có thể dùng kết hợp vơi các phụ gia cùng các chất kết dính khác Cũng có trường hợp vôi được sử dụng như một chất phụ gia cho chất kết dính khác như bitum, xi măng…Ở

mỹ, cũng có nhiều kinh nghiệm trong sử dụng vôi vào việc gia cố đất Khi gia cố đất bằng bitum lỏng, nếu cho vôi làm phụ gia thì sẽ tăng cường khả năng kết dính

và tăng nhanh quá trình polime hóa bitum trên bề mặt hạt đất Những nghiên cứu của các nhà khoa học ở các nước khác nhau đã chững tỏ rằng: vôi có tác dụng làm giảm hẳn hoặc mất tính dẻo của hầu hết các loại đất [ 36], [38]

Theo [13] thì đất á sét ở An Giang gia cố 10% vôi đạt được cường độ nén (28 ngày tuổi) Rn= 12,85 KG/cm2, và cường độ nén khi bão hòa nước là Rbh= 7,27 KG/cm2, vậy hệ số mềm Km= 0,565 , thể hiện rằng trong điều kiện ngập nước thì cường độ của đất gia cố vôi sẽ suy giảm nhiều

Trang 6

[39] cũng cho thấy rằng đất sét Tiền Giang gia cố vôi với hàm lượng 6%, 8%, 10% đạt cường độ lần lượt là 8,3 ; 10,5 và 11,3(daN/cm2) Và khi nén bão hoà cường độ giảm sút rất nhiều còn 4,7; 6,3 và 6,8 (daN/cm2) Nghĩa là cường độ chỉ còn bằng 0,56- 0,60 lần so với cường độ vật liệu khi không bão hoà nước

Vì thế người ta nghĩ đến việc dùng xi măng trong gia cố đất Việc dùng đất gia

cố xi măng làm móng áo đường được thí điểm lần đầu tiên ở Maxcova năm 1939 đã cho kết quả tốt Ở các nước như Liên Xô cũ, Đức, Ân Độ, Mỹ đất gia cố các chất kết dính vô cơ được nghiên cứu một cách có hệ thống Ở các nước này, thực tế đã chứng minh có những đoạn đường sử dụng đất gia cố xi măng hoặc vôi làm kết cấu

áo đường vẫn được khai thác tốt hàng hai ba chục năm Vào những năm 70, đất gia

cố xi măng hoặc vôi đã được sử dụng rộng rãi hơn trong công tác xây dựng thích hợp với việc gia cố riêng rẽ ứng với từng loại vật liệu chất kết dính, người ta đã bổ sung thêm các thành phần phụ gia để việc gia cố đạt hiệu quả hơn Ví dụ như: đất gia cố xi măng có các loại phụ gia như vôi bột, clorua-canxi, silicatnatri, thạch cao, các muối dễ tan hoặc các chất hoạt tính bề mặt…[36]

Ngoài ra, ở nhiều nước trên thế giới, người ta 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 Theo [39], Viện Khoa học công nghệ giao thông vận tải đưa ra các kết quả thí điểm ứng dụng gia cố tổng hợp đất tại chỗ với vôi và xi măng, cho thấy khi sử dụng phụ gia hỗn hợp vôi và xi măng đã làm gia tăng cường độ và độ ổn định nước của vật liệu lên so với khi sử dụng vôi làm chất liên kết độc lập, cụ thể: cường độ đất +5% vôi+3% xi măng đạt cường độ 21,5 daN/cm2, cường độ bão hoà là 8,0 daN/cm2, lớn hơn 3 lần so với đất + 10% vôi có cường độ 6,8 daN/cm2 ( 2,2 daN/cm2 khi nén bão hoà)

Tuy nhiên, cần phải xét tới nguồn gốc và tính chất cụ thể của đất mà chọn loại chất kết dính và phụ gia phù hợp nhằm đạt hiệu quả gia cố đất Chẳng hạn, sét (axit), xét ngậm muối và các loại á cát, cát có độ pH<6 khi gia cố xi măng nên dùng phụ gia vôi, clorua canxi Phụ gia silicatnatri được dùng để nâng cao cường độ đất

xi măng, tăng nhanh quá trình rắn chắc và có thể giảm lượng xi măng khi gia cố đất

dính, mang lại hiệu quả kinh tế Gần đây, nhiều nước cũng chú ý tới việc sử dụng keo polime tổng hợp làm chất liên kết trong xây dựng đường, [36] Khi phối hợp các chất liên kết vô cơ này với nhau để gia cố đất sẽ được nâng cường độ lên rất cao nhưng vật liệu bị hóa cứng và trở nên giòn

1.2.3. Các nghiên cứu về đất + sợi tổng hợp

R Craig (1987) đã nghiên cứu ứng xử của đất- xi măng có thêm sợi so sánh với đất – xi măng không sợi về các chỉ tiêu: cường độ chịu nén, chịu kéo, sức chống cắt, quan hệ ứng suất- biến dạng, tính bền khi chịu chu kì khô- ẩm Và kết quả cho thấy sợi thủy tinh có tác dụng gia tăng cường độ nhiều nhất; khả năng chịu kéo tăng 140%, tính dẻo dai của vật liệu vượt trội nhờ sợi Một số hỗn hợp đất- sợi cho thấy gia tăng cường độ chịu nén Thí nghiệm chu kì ẩm- khô cũng cho thấy sợi làm tăng tính ổn định của đất- xi măng Qua những quan sát sự gia tăng đáng kể của cường

độ chịu kéo, tính dẻo dai, ông ứng dụng vật liệu này để làm lớp phủ mái dốc, hồ chứa…ngăn ngừa xói lở bề mặt [ 37 ]

Consoli (1998) cũng đã nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của sợi thủy tinh đến ứng xử của đất gia cố xi măng Thí nghiệm dùng sợi có chiều dài 12.8mm và dùng lượng sợi từ 0%- 3% trọng lượng đất- xi măng khô Kết quả cho thấy xi măng làm tăng cường độ đỉnh, tính giòn, sợi làm làm tăng cường độ dư, giảm độ cứng và biến tính giòn của đất- xi măng thành tính chất dẻo dai [1]

Khaled Sobhan (2002) sử dụng đất á cát, xi măng portland từ 4-12% , tro bay

từ 4-10% trọng lượng đất khô và sợi polyethylene cắt ra từ hộp sữa đã qua sử dụng

từ chương trình tái chế chất thải ở Pennsylvania với tỉ lệ từ 0.25-0.8% Mục tiêu của thí nghiệm là xác định lượng sợi tối ưu có thể gia cường tính chất cơ học của hỗn hợp composite xi măng Chỉ số dẻo dai TI đã được dùng để đánh giá tính chất dẻo dai của vật liệu Kết quả thí nghiệm đã cho thấy sợi không làm tăng nhiều về cường

độ nhưng gia tăng rõ rệt tính dẻo dai của vật liệu Việc gia tăng tính dẻo này cực kì

có lợi cho ứng dụng làm kết cấu áo đường vì nó làm tăng khả năng chống lại phá hoại mỏi dưới tải trọng va đập và lặp của xe chạy [25]

Trang 8

Ta thấy rõ đất gia cố sợi tổng hợp thì đắt tiền và ở Việt Nam, nguồn sản xuất cung cấp sợi tổng hợp trong nước là không có, khi dùng đất với sợi thiên nhiên không dùng thêm chất liên kết hay phụ gia gì thì hoàn toàn không ổn định với nước Nếu đất gia cố các chất liên kết vô cơ đơn lẻ như vôi thì nâng cao cường độ nhưng vẫn bị suy giảm cường độ nhiều khi ngập nước Và khi phối hợp gia cố bằng các chất kết dính vô cơ thì sẽ cho cường độ rất cao nhưng vật liệu sẽ giòn

Nếu vật liệu dùng trong công trình cầu đường, mái dốc, thì vật liệu ấy đòi hỏi phải có cường độ cao, sẵn tại địa phương, bền nước, và dẻo dai

Nên nếu dùng đất laterite kết hợp gia cố bằng các chất hóa học và thêm sợi đay ta sẽ tạo ra được loại vật liệu cường độ cao, bền nước và dẻo dai mà giá lại rẻ hơn nhiều so với sợi tổng hợp

1.2.4. Các ứng dụng của vật liệu đất cốt sợi

Vật liệu có gia cố sợi được dùng trong các công trình : ổn định mái dốc, xây dựng nền đường, móng mặt đường, làm lớp phủ gia cố bề mặt mái dốc, taluy Những ưu điểm :

(1) Việc thi công đất gia cố sợi có thể dùng các máy truyền thống và phổ biến, máy trộn có trục trộn như dùng cho đất gia cố vôi, xi măng Sau đó đầm nén bằng các phương pháp thông thường

(2) Vật liệu sợi để gia cố: rễ cây, sợi phế phẩm,sợi thiên nhiên bánh xe phế thải… (Murray et al 2000, Consoli et al 2002) [1] cũng có thể dùng thay cho các sản phẩm sợi tổng hợp đắt tiền sản xuất trong nhà máy

Một vài dự án đã tận dụng vỏ bánh xe ô tô cũ cắt ra thành dạng sợi để đắp nền đường, hoặc để gia cố đất nền ở Pháp Hiện nay việc tận dụng vật liệu thải để xây dựng công trình càng trở nên phổ biến [www.pneusol.com]

Ở Mĩ, một năm có khoảng 200 triệu tấn chất thải rắn, trong đó có 3% là sợi thảm và vải dệt Lượng chất thải này sẽ lâu phân hủy và cần chi phí lớn để chôn lấp

Người ta đã tận dụng loại phế phẩm này trong việc gia cố đất ứng dụng trong xây dựng [2]

Một ứng dụng khác của hỗn hợp đất- sợi là dùng làm lớp phủ ở những nơi quá dốc

để có thể gia cố kiểu mặt phẳng (hai chiều) (Zornberg et al 2002, Zornberg 2005) Kiểu gia cố theo mặt nằm ngang cũng được sử dụng nhưng đòi hỏi phải có đủ chiều dài neo vào vật liệu dưới lớp phủ Cách gia cố song song mặt mái dốc cũng phải neo vào đỉnh mái dốc Trong khi đó cách gia cố bằng hỗn hợp đất cốt sợi không cần phải neo và khả thi về kinh tế –

kĩ thuật [24]

Hình 1-3 Cách gia cố hai chiều song song bề mặt mái dốc bằng lưới địa kĩ thuật

Dự án bãi chứa rác Redwood, hạt County, California, hoành thành năm 2003 (Minch, 2004), đã dùng lớp vật liệu sét gia cố sợi polypropylene 0.1% trong hệ kết cấu nền, cho phép xây dựng mái dốc dốc hơn cho công trình từ 1:5 lên đến độ dốc 1:3, chống thấm nước rác thải xuống nền , giảm chi phí xây dựng và không chiếm nhiều diện tích [23], [10]

Trong kết cấu áo đường , dùng sợi có thể gia cố rất nhiều loại đất từ cát đến sét dẻo cao [31], [24] ,[18], [8]

Và đất cốt sợi đã được các kĩ sư quân đội Mĩ dùng để làm đường và sân bay quân sự: lớp vật liệu đất cát được gia cố sợi polypropilene 0.8% dày 203mm, trên mặt có lớp hao mòn bảo vệ, thi công bằng máy trộn có trục trộn bốn cánh có thể chịu được tải trọng xe tải quân sự, và đảm bảo sự phân bố sợi đồng đều trên toàn chiều dày lớp Công trình được thiết kế để chịu 10.000 lượt tải trọng xe tải nặng tích lũy thông qua trong quá trình khai thác [19]

Trang 10

Hình 1-4 Đường và sân bay quân sự bằng đất gia cố sợi tổng hợp

Sợi còn có khả năng kiểm soát vết nứt ( Ziegler et al 1998) Những công trình xây dựng bằng đất sét dễ phát sinh vết nứt khi chịu tác dụng của chu kì khô- ướt Sợi có khả năng hạn chế số lượng và bề rộng vết nứt Sợi còn có thể giảm phát sinh nứt do chênh lún vì sợi làm tăng tính dẻo của vật liệu Sợi cũng kiểm soát được xói lở thích hợp cho thiết kế hệ thống lớp phủ thoát hơi nước [9]

Hình 1-5 Sợi kiểm soát vết nứt trong đất dính: (a) 0.3% sợi , (b) 0% sợi Sau 1 chu kì ẩm -khô

Vật liệu hỗn hợp đất- sợi cũng được dùng để ổn định đất trương nở (Puppala

2000, Loehr ) nó làm hạn chế co ngót và áp lực nở của đất trương nở [3]

Sợi còn tăng khả năng chịu tải trọng động của đất (Maher và Woods 1990) sợi làm tăng module chịu cắt động và giảm khả năng bị hóa lỏng [5]

1.2.5. Mục tiêu nghiên cứu

Đưa ra giải pháp bảo vệ bề mặt mái dốc nền đắp trong đó có lớp vật liệu đất laterite gia cố tổng hợp ( vôi+ xi măng+ polime vô cơ + sợi)

1.2.6. Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu một số chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đất laterite gia cố vôi + xi măng+ hóa chất+ sợi phân tán dùng, gia cố mái dốc taluy nền đường Luận văn này chỉ đề cập đến các nội dung sau:

- Nghiên cứu lý thuyết hình thành cường độ của đất laterit gia cố vôi, xi măng, phụ gia ( lí thuyết gia cố đất bằng phương pháp hóa học)

- Nghiên cứu ứng xử của vật liệu composit cốt sợi phân tán có nền là vật liệu đất + vôi+ xi măng+ hóa chất polimer vô cơ

- Xác định tỉ lệ sử dụng hợp lý vật liệu gia cố ( vôi, xi măng, phụ gia, sợi ) thông qua các thí nghiệm trong phòng

- Đề xuất giải pháp lớp phủ bảo vệ bề mặt mái dốc nền đường đắp chống xói

lở Kiến nghị áp dụng vật liệu này cho cả kết cấu áo đường vì những tính chất phù hợp của nó

Trang 12

Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Hai thành phần cấu thành vật liệu composite là nền và sợi Nền có thể gồm

một thành phần hoặc đa thành phần ( hỗn hợp vật liệu nền) Sợi có thể là sợi kim

loại, khoáng, tổng hợp, tự nhiên Vật liệu nền trong luận văn này là hỗn hợp vật

liệu nền = đất laterite + xi măng+ vôi + hóa chất polime vô cơ Và sợi được dùng là

sợi đay, ngắn và phân tán

Sự phong hóa hóa học giảm nhẹ trong mùa khô ít nhất là ở vùng trên mực nước dao động Sự hòa tan các chất khoáng diễn ra khi không đạt được sự cân bằng hóa học Phản ứng diễn ra mạnh hơn khi nước hoạt tính mạnh hay ở vùng nước di chuyển ( vùng có dòng chảy) trong lỗ rỗng Tốc độ phản ứng cũng khác nhau tùy thuộc vào khoáng vật, ví dụ thạch anh thì ổn định hơn feldspar

Những khoáng vật nguyên sinh của đá gốc bị biến đổi thành khoáng vật thứ sinh Ban đầu ,những phần tử khoáng của đá gốc được giải phóng và di chuyển trong trong dung dịch hòa tan của môi trường : Ca, Mg, Na, K được giải phóng, bỏ

lại khung kết cấu silic cho sự hình thành khoáng sét Sự hòa tan ban đầu được đẩy mạnh bới tính acid cao của nước mưa Một lượng lớn Silic hòa tan di chuyển và một phần khác phản ứng với Al hòa tan tạo thành khoáng vật sét kaolinite

Al2Si2O5(OH)4 Hydroxit nhôm Gíbbsite Al(OH)3 hình thành nếu nồng độ Si hòa tan cực thấp do sự hút nước mạnh Al cũng tương tự được dịch chuyển đi nếu không hình thành gibbsite Sắt hòa tan phản ứng mạnh với ion OH- và hình thành chất oxit goethite FeO(OH), và hematite Fe2O3 gây ra màu đỏ nâu của đất laterite Theo cách này, quá trình làm giàu Fe và Al thặng dư bởi sự dịch chuyển của Si và các chất kiềm đã hình thành nên đất laterite Sự biến đổi hóa học tương ứng tạo ra goethite, hematite, kaolinite, và gibbsite Ngoài ra còn có các di tích của khoáng thạch anh từ

đá gốc

Hình 2-1 Màu đỏ nâu của đất laterite là do oxit sắt goethite và hematite

Quá trình tích tụ sắt nguyên chất là nền tảng của sự hình thành laterite, sự hình thành các đốm nhỏ, các hạt hay kết sỏi trong tầng laterite đòi hỏi sự dịch chuyển sắt hòa tan trong phạm vi lớn từ cm đến dm Chính sự xói mòn bới lượng mưa lớn của khí hậu nhiệt đới đã góp phần quan trọng tạo ra laterite

Tóm lại sự thành tạo đất laterite là do 3 tiến trình chính yếu sau đây:

(1) Phân hủy : sự biến đổi hóa lý của khoáng vật nguyên sinh và giải phóng các thành phần SiO2, Al2O3, Fe2O3,CaO, MgO, K2O, Na2O dưới dạng ion đơn

Trang 14

(2) Laterit hóa: sự xói mòn, rửa trôi trong điều kiện thích hợp của tổ hợp silic dyoxit và những bazơ và sự tích tụ tương đối hoặc làm giàu của các oxit và hydroxit ( Al2O3, Fe2O3, TiO2) Điều kiện môi trường làm cho các phần tử thể hiện tính tan

và dịch chuyển trong quá trình rửa trôi hoặc kết hợp với các vật chất khác phụ thuộc chủ yếu vào độ pH và Eh của nước ngầm và điều kiện thoát nước

Mức độ mà giai đoạn này tiến hành phụ thuộc vào bản chất và sự phát triển của phong hóa hóa học các khoáng nguyên sinh Trong điều kiện hoạt động hóa học

và hình thành đất không mạnh, phong hóa hóa học- vật lý không tiếp diễn sau giai đoạn hình thành khoáng sét, và có xu hướng tạo ra sản phẩm cuối cùng gồm các khoáng sét chủ yếu là kaolinite và đôi khi là các oxit kim loại (sắt, nhôm) ngậm nước

(3) Quá trình mất nước: sự khô hạn hay khử nước của các tam nhị oxit làm đậm đặc vật liệu và khoáng vật thứ sinh.Sự khử nước của chất keo oxit sắt thủy hóa kéo theo sự tăng nồng độ dẫn đến sự kết tinh của sắt vô định hình thành tinh thể đặc chắc ( goethite, limonite, hematite)

Sự khử nước có thể do thay đổi khí hậu, do biến động nâng lên của đất, do hoạt động của con người như chặt rừng

2.1.1.2.Thành phần khoáng vật- hóa học

Tất cả đất laterite đều có sự làm giàu sắt , nhôm và giảm silic, kiềm của đá gốc Ngoài những tính chất trên thì thành phần và tính chất đất laterite khác nhau đôi chút phụ thuộc vào tính chất hóa lý của đá gốc, và có thể phân ra 2 nhóm cơ bản (1) Laterite trên đá mafic ( basalt, gabro) và trên đá ultramafic ( serpentinite, peridotite, dunite), loại đá này không có thạch anh, ít silic và giàu sắt

(2) Laterite trên đá acid, granite và granite gneisses, trầm tích như sét, đá phiến và sa thạch ( cát kết), loại đá này chứa nhiều thạch anh, nhiều silic và ít sắt hơn

Bảng 2-1 Phần trăm thành phần khoáng vật của 2 nhóm đá cùng với laterite của nó tương ứng

Đất laterite từ đá mafic và ultramafic có tỉ số Fe2O3: Al2O3 giống như đá gốc nằm dưới Điều này được giải thích là do các phần tử khác hòa tan dẫn đến sự tích

tụ sắt và nhôm Đất laterite trên đá acid thì có tỉ số Fe2O3: Al2O3 tăng mạnh so với

đá gốc, giải thích là do nhôm và silic bị mất đi

Nếu nhôm không bị dịch chuyển trong quá trình phong hóa đá gốc, bauxite

sẽ hình thành bởi tỉ số Al2O3 : Fe2O3 cao Thật ra bauxite rất hiếm, chỉ hạn chế trong điều kiện lọc rửa cá biệt cho phép hòa tan kaolinite với sự hình thành của gibbsite sau đó do nồng độ silic rất thấp Trong điều kiện lọc rửa yếu, gibbsite sẽ không hình thành hoặc hình thành với số lượng ít, điều này do sự có mặt của thạch anh và tính thấm kém của đá acid phong hóa so với các đá mafic và ultramafic nhiều lỗ rỗng

Sự hòa tan hoàn toàn liên tục kaolinite diễn ra trong hai giai đoạn, trong giai đoạn đầu tiên kaolinite được thay bằng khoáng silicat của đá gốc đã diễn ra trong

Trang 16

giai đoạn saprolite Giai đoạn thứ hai, kaolinite có đốm sắt, hạt rất mịn kết tinh kém lấp đầy lỗ rỗng nhỏ và vết nứt trong nền laterite Sự hòa tan và mới hình thành kaolinite ở những điểm và thời gian khác nhau trong đất laterite phụ thuộc vào điều kiện hóa học và vật lý riêng của môi trường

Một lượng lớn Al và Si hòa tan nguồn gốc từ sự hòa tan hoàn toàn kaolinite nguyên thủy không tái kết tủa trong giai đoạn thứ hai nhưng dịch chuyển cùng với nước Nước trong đất laterite thông thường trung tính, mà ngăn chặn lượng Al lớn trong dung dịch hòa tan thật sự hơn thế, Al không thể được xác nhận bằng phân tích truyền thống nước lọc có thể đoán chừng sự dịch chuyển của nhôm xảy ra dưới dạng hợp chất Al-Si Điều này được thúc đẩy bởi yếu tố động lực học đặc biệt là tốc

độ phản ứng hình thành kaolinite cực chậm cho phép dịch chuyển Al và Si ngay cả trong vùng kaolinite ổn định

2.1.1.3.Cấu trúc đất laterit

Đặc trưng điển hình của đất là phân tán (đất là một hệ phân tán) Tính chất của đất được quyết định chủ yếu bởi các hạt nhỏ chứa trong chúng Thông thường hàm lượng các hạt nhỏ có kích thước 0,001-0,005mm (hạt keo sét) và nhỏ hơn 0,001 (hạt keo) chứa trong đất giữ vai trò đáng kể trong việc hình thành các tính chất của đất như đã biết

Các nghiên cứu lý thuyết cũng như thực tiễn đã khẳng định: đất ở điều kiện

tự nhiên rất kém ổn định và dễ biến dạng dưới tác động của tải trọng Đất laterite dù cho có quá trình hình thành khác nhau, thành phần hạt, thành phần khoáng, thành phần hóa học khác nhau thì khi bị ẩm hay bão hòa chúng đều có biểu hiện của hệ hạt keo: cường độ giảm, tính dẻo tăng Khi dùng đất sét trong công tác xây dựng đuờng ôtô, cần có những biện pháp khắc phục các nhược điểm trên, làm cho nó có thể bền vững ngay cả khi bão hoà nước, không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và chịu được tải trọng xe chạy Để đạt được điều này cần thay đổi tính chất của hệ hạt nhỏ phân tán, tăng tính dính kết, làm cho chúng mang tính toàn khối, ổn định Và người ta trộn thêm vào đất các loại hóa chất khác nhau, và nhờ những sự tương tác

của chúng với đất mà làm thay đổi tính chất ban đầu của đất Như vậy, tính chất của đất đã được cải thiện theo hướng có lợi cho xây dựng

2.1.1.3.1.Các đặc điểm cấu trúc hệ keo của đất:

Đất có nhiều dạng khác nhau do quá trình hình thành khác nhau về thành phần khoáng vật cũng như kích thước các hạt Đặc điểm chung của hạt mịn trong đất là khi hút ẩm, 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 số 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 thình thành cấu trúc trong gia cố đất

Những phần tử nằm trên bề mặt một hạt vật chất có thể hút giữ những phân

tử hay hạt keo của chất khác từ môi trường Lực hút này là do năng lượng thừa của các lực hút phân tử ở lớp trên bề mặt hạt vật chất Các hạt keo hay các hạt nhỏ gần kích thước hạt keo như sét có diện tích bề mặt lớn nên có thể hút rất nhiều các phân