Nghiên cứu cấp phối sỏi đỏ (CPSĐ) gia cố vôi + ximăng làm lớp mỏng hoặc lớp mặt đường giao thông nông thôn áp dụng ở đồng bằng sông cửu long

Do đó , để khắc phục vấn đề nêu trên, việc “nghiên cứu CPSĐ gia cố với chất kết dính vô cơ vôi kết hợp xi măng để làm móng, mặt đường ở khu vực ĐBSCL” là hết sức cần thiết, góp phần cải

Trường Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Chuyên ngành: Cầu, tuynen và các công trình xây dựng

khác trên đường ôtô và đường sắt

Khóa: 2001 (K12)

Mã số ngành: 2.15.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2004

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Xuân Vinh

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 2004

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

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: TRƯƠNG TẤN SĨ Phái: Nam

Chuyên ngành: Cầu, tuynen và các công trình Mã số ngành: 2.15.10

xây dựng khác trên đường ôtô và đường sắt

CAUĐ12-017

I/ TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu cấp phối sỏi đỏ (CPSĐ) gia cố vôi + ximăng làm lớp móng hoặc lớp mặt đường giao thông nông thôn áp dụng ở Đồng bằng sông Cửu Long II/ NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

Chương mở đầu: 1/ Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu

2/ Mục đích nghiên cứu

3/ Nội dung nghiên cứu

4/ Phương pháp nghiên cứu

Chương I : Đặc điểm khí hậu thủy văn ở Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) và

tình hình nghiên cứu để áp dụng CPSĐ gia cố vôi, xi măng để xây dựng đường ôtô ở trong và ngoài nước

Chương II : Nghiên cứu lý thuyết về sự hình thành cường độ của CPSĐ gia cố tổng

hợp vôi + ximăng

Chương III : Nghiên cứu thí nghiệm lựa chọn tỷ lệ phối hợp tối ưu (hợp lý) của của

CPSĐ gia cố tổng hợp vôi + ximăng

Chương IV : Tính toán đề xuất một số kết cấu móng (mặt) đường bằng CPSĐ gia cố

vôi+ ximăng áp dụng để xây dựng đường ôtô ở ĐBSCL

Chương IV : Nhận xét, kết luận và kiến nghị

- Phụ lục

- Tài liệu tham khảo

- Tóm tắt lý lịch khoa học

III/ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18 / 4 / 2003

IV/ NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V/ HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN XUÂN VINH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN CẦU- ĐƯỜNG

PGS.TS NGUYỄN XUÂN VINH TS LÊ VĂN NAM

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng Chuyên ngành thông qua

Tp HCM, ngày tháng năm 2004

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu tôi được tập thể các Thầy – Cô thuộc Bộ môn Cầu đường, Khoa sau đại học Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh nhiệt tình giảng dạy, trang bị thêm cho tôi kiến thức về chuyên môn, giúp tôi vững vàng hơn trong công tác nghiên cứu khoa học Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với tất cả các Thầy – Cô

Đặc biệt, tôi đã được PGS.TS Nguyễn Xuân Vinh cùng các Thầy – Cô giáo khác đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn trong thời gian viết và hoàn thành luận án này, xin các Thầy – Cô nhận nơi tôi lòng biết ơn sâu sắc

Xin cảm ơn Phân Viện Khoa Học Công Nghệ Giao Thông Vận Tải Phía Nam, Phòng Đường - Sân Bay đã tạo điều kiện về vật chất và tinh thần cho tôi hoàn thành đề tài này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp và các bạn cùng học cao học khóa 12 đã quan tâm giúp đỡ động viên tôi suốt quá trình học tập

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn thạc sĩ được thực hiện với tên đề tài là “Nghiên cứu cấp

phối sỏi đỏ (CPSĐ) gia cố vôi + ximăng làm lớp móng hoặc lớp mặt đường giao thông nông thôn áp dụng ở đồng bằng sông cửu long” Luận án được

tiến hành trên cơ sở nghiên cứu lý luận về lý thuyết, thí nghiệm, kinh nghiệm thực tế rút ra được những thông số cần thiết nhằm phục vụ cho công tác thiết kế công trình khi có sử dụng vật liệu CPSĐ gia cố vôi + ximăng Đây là phương pháp kết hợp giữa lý luận và thực tiễn, dùng lý luận phân tích số liệu thí nghiệm nghiên cứu khoa học để từ đó rút ra được kết luận cần thiết nhằm phục vụ cho việc thiết kế và thi công các tuyến đường ở khu vực đồng bằng Sông Cửu Long và các Tỉnh Miền Đông Nam Bộ Nội dung và kết quả nghiên cứu được – Tìm được tỷ lệ gia cố vôi tối ưu đối với CPSĐ nghiên cứu là 5.5% (tính theo trọng lượng)

– Tìm được tỷ lệ gia cố tổng hợp (vôi + ximăng) có hiệu quả đối với CPSĐ nghiên cứu la : CPSĐ + 5.5% vôi+ (3 5%) ximăng Từ đó:

– Đề xuất một loạt các kết cấu móng (mặt ) đường dùng cho loại mặt đường quá độ (B1), mặt đường cấp cao thứ yếu (A2) và cấp cao chủ yếu (A1) chỉ sử dụng CPSĐ gia cố 5.5% vôi hoặc CPSĐ gia cố 5.5% vôi + (3 5%) ximăng Đồng thời bằng tính toán xây dựng một loạt toán đồ tra sẵn để lựa chọn bề dày các lớp cho các loại kết cấu móng ( mặt) đường dùng để xây dựng đường ô to âtừ cấp I cho đến cấp V ( tùy theo mo đun đàn hồi chung yêu cầu khi thiết kế) Aùp dụng phù hợp với điều kiện khí hậu thủy văn ở vùng đồng bằng sông Cửu Long – Khu vực thường xuyên xảy ra lũ lụt làm cho hai bên nền đường bị đọng nước lâu ngày Ngoài ra, có thể sử dụng các toán đồ đã lập sẵn để lựa chọn kết cấu móng đường trong giai đoạn lập dự án khả thi

MỤC LỤC

Chương mở đầu ……….……1-3

1/ Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu ………1

2/ Mục đích nghiên cứu ……… …………2

3/ Nội dung nghiên cứu ………2

4/ Phương pháp nghiên cứu ………3

Chương I : Đặc điểm về khí hậu thủy văn về Đồng Bằng Sông Cửu Long và tình hình nghiên cứu ứng dụng đất gia cố vôi, xi măng trong và ngoài nước ….4-14 I.1/ Đặc điểm khí hậu thủy văn ở Đồng Bằng Sông Cửu Long ………4

I.2/ Những kết quả nghiên cứu đất gia cố vôi, xi măng ở trong và ngoài nước ……… 4

I.3/ Đặc điểm làm việc của móng, mặt đường làm bằng đất gia cố …… 13

Chương II : Nghiên cứu lý thuyết về sự hình thành cường độ của CPSĐ gia cố vôi + xi măng ……….15-33 II.1/ Bản chất và tính chất vật lý của CPSĐ ………15

II.2/ Vật liệu vôi dùng trong gia cố ……….19

II.3/ Vật liệu xi măng dùng trong gia cố ……… 20

II.4/ Nước dùng trong gia cố ……….………22

II.5/ Bản chất hình thành cường độ của CPSĐ gia cố vôi + xi măng …….23

II.6/ Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ và ổn định của CPSĐ gia cố vôi + xi măng ……….31

Chương III : Nghiên cứu thí nghiệm lựa chọn tỉ lệ phối hợp tối ưu ( hợp lý) của CPSĐ gia cố tổng hợp vôi + xi măng ……….………34-73 III.1/ Các đặc trưng cơ lí của vật liệu dùng trong gia cố ………34

III.2/ Thí nghiệm xác định Rnén, Répchẻ, Evl của CPSĐ gia cố hàm lượng vôi theo các ngày tuổi ……….……….40

III.3/ Thí nghiệm xác định chỉ tiêu Rnén, Répchẻ, Evl của CPSĐ gia cố

5.5% vôi kết hợp với hàm lượng xi măng theo các ngày tuổi ……….51

III.4/ Tổng hợp các kết quả nghiên cứu ……… 68

Chương IV: Tính toán đề xuất 1 số dạng kết cấu móng, mặt đường bằng CPSĐ gia cố vôi + xi măng áp dụng để xây dựng đường ôtô ở Đồng Bằng Sông Cửu Long ………74-95 IV.1/ Kết cấu hệ 1 lớp ……….75

IV.2/ Kết cấu hệ 2 lớp ……….77

IV.3/ Kết cấu hệ 3 lớp ……….82

Chương V : Nhận xét, kiến nghị và kết luận ……… ………96-98 V.1/ Những kết quả đã nghiên cứu được ………96

V.2/ Kiến nghị ……….……….96

V.3/ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ……… ……… ……… 97

V.4/ Những tồn tại ……… 97

V.5/ Kết luận ……… ……… 98

Phụ lục :

- Phụ lục 1 : Các hình ảnh minh họa trong quá trình thí nghiệm

- Phụ lục 2 : Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của mẫu CPSĐ nghiệm cứu

- Phụ lục 3 : Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của mẫu CPSĐ gia cố vôi

- Phụ lục 4 : Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của mẫu CPSĐ gia cố tổng hợp vôi + xi măng

- Phụ lục 5 : Kết quả tính toán các loại kết cấu áo đường đề xuất để xây dựng đường ôtô áp dụng ở đồng bằng sông Cửu Long

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1/ SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU :

Giải pháp xây dựng móng, mặt đường ( gọi chung là kết cấu áo đường) bằng vật liệu CPSĐ ở nước ta cũng như các nước khác trên thế giới như : Mỹ, Anh, Pháp, Nhật Bản, Trung Quốc, Thái Lan phổ biến rộng rãi

Qua thời gian theo dõi chất lượng cấp phối thiên nhiên trong xây dựng áo đường ôtô theo tiêu chuẩn mặt đường sỏi ong : 22 TCN-11-77 và mặt đường cấp phối

22 TCN 07-77 của nước ta ( ban hành năm 1977) cho thấy do sử dụng chỉ số dẻo lớn nên dưới tác dụng của độ ẩm cao lớp này thường bị biến dạng gây nứt hỏng lớp mặt đường Vì những lý do trên Bộ đã ban hành tiêu chuẩn mới 22 TCN 304-03 để thay thế hai tiêu chuẩn trên

Trong thực tế, khi thiết kế công trình đường ôtô có hạng mục CPSĐ là lớp móng, mặt đường chúng ta đều dựa trên những số liệu chung của quy trình, tiêu chuẩn ngành Điều này chưa phản ánh rõ, đúng với tính chất cơ lý của vật liệu đặc trưng cho từng vùng đặc biệt là ở khu vực phía nam

Từ khi qui trình 22 TCN 304-03 ban hành [9} thì vật liệu CPSĐ (cấp phối thiên nhiên) dùng làm lớp móng, mặt đường ngày càng khan hiếm Có một số công trình như dự án đường Xuyên Á, Dự án BOT An Suơng – An Lạc ( Quốc lộ 1A đoạn Km1901 Km1915) … phải thay đổi vật liệu CPSĐ làm lớp móng đường bằng vật liệu khác tương đương như cấp phối đá dăm 0x1 ( còn gọi là đá mi) vì CPSĐ ở khu vực phía nam không đảm bảo được các chỉ tiêu cơ lý, đặc biệt là chỉ số dẻo (Ip) do quy trình qui định Điều này gây tổn thất về kinh tế cũng như về tuổi thọ của công trình, đặc biệt là các công trình ở địa hình thường xuyên bị ngập nước như ĐBSCL Vì khi thay vật liệu CPSĐ bằng cấp phối đá dăm ( là loại vật liệu rời rạc) thì biến dạng ( độ lún đàn hồi) của nền đất chiếm tỷ lệ khá lớn so với biến dạng tổng cộng Đồng thời loại móng bằng vật liệu rời rạc đễ bị nước xâm nhập ( mao dẫn) làm cường độ của

nền đường giảm và không ổn định trong quá trình khai thác [17} Do đó , để khắc phục vấn đề nêu trên, việc “nghiên cứu CPSĐ gia cố với chất kết dính vô cơ ( vôi kết hợp xi măng) để làm móng, mặt đường ở khu vực ĐBSCL” là hết sức cần thiết, góp phần cải thiện các chỉ tiêu cơ lý của CPSĐ được tốt hơn , khắc phục được các nhược điểm mà vật liệu rời rạc thường mắc phải

2/ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU :

Đất gia cố đã được nghiên cứu, ứng dụng từ lâu và khá rộng rãi trong công nghệ xây dựng mặt đường ôtô ở nhiều nước trên thế giới và ở trong nước Các kết quả nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm đã được nhiều tác giả trong và ngoài nước nghiên cứu khá đầy đủ qua nhiều công trình

Tuy nhiên, từ điều kiện địa chất thủy văn và các điều kiện thực tế trong xây dựng đường ở Đồng Bằng Sông Cữu Long (ĐBSCL), sử dụng CPSĐ gia cố với chất kết dính vô cơ sẳn có trong nước làm móng chịu lực đã trở thành giải pháp mang tính khả thi cao, vừa khắc phục tình trạng khan hiếm vật liệu làm đường, vừa đáp ứng được chủ trương của Đảng và nhà nước về phát triển toàn diện giao thông và chung sống cùng lũ lụt ở ĐBSCL Móng gia cố còn khắc phục được các nhựơc điểm mà các loại vật liệu rời rạc khác mắc phải như:

+ Khả năng giảm ứng suất truyền xuống nền đường

+ Khả năng tăng độ bền (giảm ứng suất kéo phát sinh khi bị uốn) cho lớp mặt bê tông nhựa

+ Khả năng tăng cường độ theo thời gian và cường độ ổn định đối với nước

3/ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU :

Nghiên cứu một số chỉ tiêu cơ lý của vật liệu CPSĐ gia cố vôi + ximăng dùng làm móng, mặt đường ôtô

Trong khuôn khổ luận án này chỉ đề cập đến một số nội dung chủ yếu sau:

1/ Nghiên cứu lý thuyết về sự hình thành cường độ của CPSĐ gia cố vôi + ximăng

2/ Xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu CPSĐ gia cố vôi + ximăng ( theo các tỷ lệ phối hợp khác nhau của vôi và xi măng) bao gồm các thí nghiệm trong phòng để xác định:

- Cường độ chịu nén (Rnén ) theo thời gian

- Môđun đàn hồi vật liệu ( Evl ) theo thời gian

- Cường độ ép chẻ (Rép chẻ ) theo thời gian

- Trên cơ sở tìm được tỷ lệ gia cố vôi + xi măng hợp lý, tính toán đề xuất một số loại kết cấu móng , mặt đường sử dụng cho các cấp đường ô tô ở ĐBSCL

4/ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU :

Luận án được tiến hành trên cơ sở nghiên cứu lý luận về lý thuyết, thí nghiệm, kinh nghiệm thực tế rút ra được những thông số cần thiết nhằm phục vụ cho công tác thiết kế công trình khi có sử dụng vật liệu CPSĐ gia cố vôi + ximăng Đây là phương pháp kết hợp giữa lý luận và thực tiễn, dùng lý luận phân tích số liệu thí nghiệm nghiên cứu khoa học để từ đó rút ra được kết luận cần thiết nhằm phục vụ cho việc thiết kế và thi công các tuyến đường ở khu vực đồng bằng Sông Cửu Long và các Tỉnh Miền Đông Nam Bộ

CHƯƠNG I ĐẶC ĐIỂM VỀ KHÍ HẬU THỦY VĂN CỦA ĐBSCL VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐẤT GIA CỐ VÔI, XI MĂNG TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

I.1/ Đặc điểm khí hậu thủy văn ở ĐBSCL

Khí hậu ở ĐBSCL có hai mùa rõ rệt là mùa mưa và mùa khô Mùa mưa bắt đầu từ tháng 4 tháng 11 và mùa khô từ tháng 12 tháng 3

Ở ĐBSCL, nước dưới đất tồn tại dưới dạng chủ yếu là nước lỗ rỗng Mực nước ngầm cách mặt đất < 2m ( vào mùa khô) và liên quan trực tiếp đến thủy triều ( cá biệt một vài nơi nước ngập ở độ sâu 2m 5m) Vào mùa mưa lũ ở ĐBSCL thường hay bị ngập nước ( có thể thấy rõ mưa do ngập lũ của từng khu vực do Phân viện Khảo sát quy hoạch thủy lợi nam bộ cung cấp trên hình 1.1).{17}

I.2/ Những kết quả nghiên cứu đất gia cố vôi, xi măng ở trong và ngoài nước:

I.2.1/ Những nghiên cứu ở nước ngoài:

Từ thời cổ La Mã, người ta đã biết sử dụng vôi để làm đường Người ta đã dùng vôi để liên kết các tảng nham thạch lại với nhau, dùng vôi trộn với đất sét nhằm tăng cường độ và giảm khả năng tan rã của đất sét Vào thế kỷ XVII, vữa vôi sét đã được sử dụng để xây dựng pháo đài Ivangoroxtki [1], [2]

Nhưng sử dụng đất gia cố làm áo đường hiện đại thì chỉ mới cách đây vài chục năm Năm 1912, ở nước Nga, người ta đã thí điểm sử dụng đất á cát gia cố xi măng để xây dựng đường trong công viên Ở Liên Xô cũ, những nghiên cứu có quy mô khoa học nhằm cải tạo tính chất tự nhiên của đất để sử dụng cho xây dựng đường được các giáo sư M.M Philatốp và V.V Okhôtin tiến hành vào khoảng năm 1925 Đó là những nền móng cơ sở đầu tiên cho việc nghiên cứu hoàn thiện công nghệ gia cố đất sau này [1]

Thời kỳ đầu, có các công trình nghiên cứu gia cố đất bằng nhiệt của giáo sư M.M Philatốp, Gia cố đất với vôi của V.K Ianôpxki, đất đen gia cố bi tum của M.M Philatốp và P.F Menhicốp Tiếp theo đó là những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nhằm mở rộng các phương pháp gia cố và khẳng định các nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật gia cố đất Năm 1932, Giáo sư M.M Philatốp đã xây dựng được những nguyên tắc cơ bản cho kỹ thuật gia cố đất Theo nguyên tắc này, muốn cải thiện được hoàn toàn các tính chất của đất cần phải xem xét đến các tính chất và thành phần của các phần tử phân tán mịn và phức hệ hấp phụ có trong đất Sau này, nguyên tắc đó đã được V.M Bezruk, L.V Gonsarova và nhiều người khác nghiên cứu phát triển thêm

Nhiều nước trên thế giới như ở châu Âu, Mỹ, Á, Phi, người ta đã áp dụng vào thực tế ứng với các dạng địa hình, khí hậu, thổ nhưỡng khác nhau, các phương pháp gia cố đất bằng vật liệu kết dính có hoặc không có phụ gia hoạt tính nhằm biến đổi triệt để tính chất tự nhiên của đất Kỹ thuật gia cố đất là người ta tiến hành các khâu công nghệ liên tiếp như làm nhỏ đất, trộn đều chất kết dính với đất và đầm chặt hỗn hợp, nhờ đó mà đất có được cường độ cao và ổn định lâu dài trong cả điều kiện bão hòa nước [2]

Nhiều công trình nghiên cứu của P.A Rêbinder và các cộng tác viên đã nêu rõ rằng : trên cơ sở những thành tựu của các môn cơ học hóa – lý của vật thể phân tán không những có thể nghiên cứu cấu trúc mà còn có thể điều chỉnh quá trình hình thành cấu trúc và quá trình hình thành tính chất khác nhau của các vật thể phân tán, từ lúc phát sinh cấu trúc đến quá trình phát triển và biến cứng của cấu trúc sau này [2]

Tới năm 1976, ở Liên Xô cũ người ta đã xây dựng được hơn mười nghìn kilômét nền đường và áo đường bằng đất gia cố ở nhiều vùng khí hậu khác nhau Nhờ vào thành tựu nghiên cứu của các nhà khoa học Ieruxalimxkaia, Xaxko, Popandopulo mà ở Kadăcxtan người ta xây dựng được hàng nghìn kilômét đường có sử dụng đất gia cố kết hợp bitum lỏng với vôi bột kỵ nước [1]

Việc dùng đất gia cố xi măng làm móng áo đường được thí điểm lần đầu tiên ở Maxơcơva năm 1939 đã cho kết quả tốt Ở các nước như Liên Xô cũ, Đức, Ấn 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 đường ôtô, sân bay ở nhiều quốc gia trên khắp các châu lục Có những loại đất không 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 [1]

Việc gia cố đất bằng các chất kết dính hữu cơ cũng được dùng khá rộng rãi Ở Liên Xô cũ và một số nước ở châu Âu, châu Phi đã sử dụng bitum lỏng đông đặc chậm hoặc guđơrông than đá để trộn với đất tại đường Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là công nghệ thi công phụ thuộc vào thời tiết Gần đây người ta sử dụng bitum đặc ở trạng thái nhũ tương hay vữa nhựa để gia cố đất Nhìn chung, cấu trúc, tính chất cơ học của đất gia cố bằng chất liên kết hữu cơ phụ thuộc nhiều vào việc tuân theo các quy tắc công nghệ Khi gia cố đất bằng chất liên kết hữu cơ sẽ hình thành các cấu trúc như keo tụ hay keo tụ ngưng kết Cấu trúc này có đặc điểm là : tính chất của nó thay đổi tùy thuộc vào bề dày của màng chất liên kết bám quanh hạt Chất liên kết phải được phân bố đều với lượng dùng vừa đủ Nếu thiếu chất liên kết thì vật liệu kém ổn định nước hoặc nếu thừa chất liên kết thì cường độ giảm và tính dẻo tăng lên

Hiện nay, ở nhiều nuớc 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 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 cao nhất Chẳng hạn, sét (axit), sét 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 Gia cố tổng hợp đất bằng xi măng có thêm nhũ tương hay vôi, bi tum làm cho đất cát, á cát, sét nhẹ có tính kỵ nước Gần đây, nhiều nước cũng chú ý tới việc sử dụng keo polime tổng hợp làm chất liên kết trong xây dựng đường Biện pháp này có nhiều ưu điểm nhưng còn quá đắt [1]

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 vôi 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 Okhotin, 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 Quá trình hình thành cường độ của đất gia cố vôi diễn ra trong khoảng thời gian dài, là tổng hợp của 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 hyđrô silicat canxi và cacbonat 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 làvôi 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 với 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 việc 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 dính kết 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 chứng tỏ rằng : vôi có tác dụng làm giảm hẳn hoặc mất hết tính dẻo của hầu hết các loại đất [1]

Các kết quả nghiên cứu ở Liên Xô, Mỹ và một số nước khác đã cho các kết luận :

– Vôi tôi có hiệu quả nhất khi trộn nó với hỗn hợp sỏi hay sét sỏi Cường độ chịu nén của đất vôi tăng lên rõ rệt và tính dẻo giảm hẳn đi Điều này

có được do vôi tác dụng tương hỗ với các thành phần silicát trong đất tạo ra chất làm ximăng hóa đất Thành phần hạt có tỉ lệ cốt liệu tốt nhất tạo thành khung kết cấu, chất kết dính là vôi kết hợp với thành phần phân tán mịn của đất, kết quả là được sản phẩm có kết cấu tuơng tự như bê tông xi măng Trong trường hợp này, chỉ cần dùng lượng vôi với tỷ lệ 2 – 4%

– Vôi thủy hóa cũng có hiệu quả với hầu hết các loại đất sét phân tán mịn, tuy rằng cường độ không cao như với các loại hỗn hợp đất đá dăm hay đất sỏi Khi làm móng đường dùng tỷ lệ vôi khoảng 5 – 10% còn nếu xây dựng các lớp đệm chỉ cần dùng 2 – 3% vôi

– Với đất bụi, hiệu quả gia cố thấp, cần có từ 8 – 12% vôi theo trọng lượng hỗn hợp mới cho cường độ tương đối thỏa mãn

– Người ta cũng thường dùng vôi kết hợp với chất phụ gia khác để làm tăng hiệu quả gia cố Các phụ gia thường dùng là các muối khác nhau như

Na2SiO3, MgSO4, Ma2SO4 Dùng tro bay làm chất kết dính với phụ gia là vôi để gia cố đất mang lại hiệu quả tăng cường độ cao Ở Mỹ, biện pháp này cũng được sử dụng rộng rãi Các tác giả như J M Guver, G.L.Hand, D.T Đavitxơn cho thấy : khi gia cố đất bằng vôi và các chất phụ gia tro bay thì công tác đầm chặt là đặc biệt quan trọng Đầm hỗn hợp đạt độ chặt tốt nhất nhằm tăng cao nhất sự tiếp xúc giữa các hạt đất với vôi và tro, nâng cao khả năng ổn định nước của hỗn hợp

I.2.2/ Những nghiên cứu ở trong nước:

Nhìn chung, rất nhiều nước trên thế giới đã sử dụng một cách rộng rãi các kết cấu áo đuờng bằng vật liệu đất gia cố nói chung và đất gia cố vôi từ nhiều năm nay Ở nước ta, việc nghiên cứu để sử dụng đất gia cố như một vật liệu trong xây dựng đường được tiến hành tương đối sớm, từ những năm 1961–1962 ở bộ môn Đường trường Đại học Bách khoa Về sau, các cơ quan nghiên cứu khác như Viện Kỹ thuật giao thông, Viện Thiết kế giao thông, Viện Quy hoạch thành phố thuộc Bộ Kiến trúc, trường Đại học Giao thông, trường Đại học Xây dựng đã tiến hành các nghiên cứu này với quy mô ngày càng mở rộng Đề tài này đã được Ủy Ban Khoa Học và Kỹ Thuật Nhà nước coi là đề tài quan trọng Viện Kỹ thuật giao thông ( nay là viện KHCNGTVT ) và Phân Viện KHCN GTVT Phía Nam kết hợp với các đơn vị địa phương đã xây dựng thí điểm nhiều đoạn đường đất gia cố vôi, đất gia cố xi măng ở nhiều địa phương khác nhau như : Hà Nội, Hà Nam Ninh cũ, Vĩnh Phúc, Hà Bắc , Long An , An Giang và gần đây là Hà Tây với công nghệ thi công hiện đại Ngoài ra, ngành thủy lợi đã dùng phương pháp phụt vữa xi măng để gia cố nền đập của thủy điện Thác Đà, bù lấp khuyết tật thân đê, phun tạo màng chống thấm ở nền đập thủy điện sông Đà Viện Khoa học kỹ thuật Xây dựng đã ứng dụng phương pháp cọc vôi đất, vôi xi măng thi công bằng thiết bị đồng bộ khoan trộn ngay trong lỗ khoan đạt kết quả tốt

Nhìn chung công việc nghiên cứu trước đây tập trung theo 2 hướng :

– Nghiên cứu gia cố các loại đất bằng các chất liên kết khác nhau dùng làm móng, mặt đường ôtô Công việc này đã được kết hợp giữa các nghiên cứu ở trong phòng thí nghiệm và các thí điểm tại hiện trường

– Nghiên cứu các biện pháp thi công trong điều kiện thiếu các phương tiện máy móc chuyên dùng, thi công cơ giới kết hợp với thủ công

Các loại đất được nghiên cứu tương đối rộng và đa dạng về chủng loại, bao gồm đất vùng đồng bằng, trung du, miền núi thuộc khu vực miền Bắc ; đất tại một số nơi trên tuyến Trường Sơn; đất đỏ bazan Tây Nguyên ; đất vùng đồng bằng Nam Bộ Ngoài ra, còn nghiên cứu về cát đen sông Hồng, xỉ lò

Thông thường, hướng nghiên cứu tập trung vào gia cố đất với xi măng và vôi

Vì là vật liệu rẻ tiền và dễ kiếm nên vôi và xỉ vôi được nghiên cứu phổ biến hơn Chất liên kết hữu cơ chưa được nghiên cứu đáng kể

Các công trình thử nghiệm đất gia cố vôi ở Việt Nam

– Thí điểm đất gia cố vôi trên đường Trần Hưng Đạo Hà Nội năm 1963

– Đoạn thí điểm trên phần mở rộng đường Hàng Bột cũ do trường Đại học Xây dựng kết hợp với Công ty Xây dựng Cầu đường Hà Nội làm năm

1974 Kết cấu gồm có lớp móng dưới bằng đất gia cố 8% vôi, dày 18cm; lớp móng trên đất gia cố 12% vôi, dày 15cm; lớp mặt nhựa thấm nhập sâu dày 8cm Kết quả đo cường độ chung của cả kết cấu từ năm 1974 – 1978 liên tục tăng lên, mặt đường làm việt tốt trong điều kiện lưu lượng xe cao

– Đoạn đường thí điểm do Bộ Kiến Trúc tiến hành tại thị xã Hưng Yên Kết cấu tương đối đơn giản, chỉ gồm 1 lớp đất gia cố 18% vôi, trên láng nhựa 3kg/m2 Tình trạng chung, đáp ứng được yêu cầu khai thác

– Đoạn đường đê bao thành phố Nam Định do Bộ Kiến Trúc làm năm 1967 Kết cấu là đất gia cố 9% xỉ vôi (hàm lượng CaO + MgO chỉ đạt 40%) dày

20cm, mặt láng nhựa 3,5kg/m2 Sau 18 tháng sử dụng, độ võng đàn hồi dưới bánh xe trục 8 tấn chỉ có từ 1 – 1,2mm, mặt đường ổn định

– Trước đây, Viện Kỹ thuật Giao thông (nay là Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải ) đã có những thí điểm đất gia cố vôi ở Xuân Đỉnh – Từ Liêm, Thị xã Hưng Yên, Dốc Má – Kép trên QL1A, bến than Nam Định, X49 Phú Thọ, Hà Bắc Các thí điểm đều cho kết quả tốt Năm 1994, Viện KHCN GTVT đã phối hợp với Sở GTVT Lâm Đồng tiến hành thí điểm gia cố đất đồi bằng vôi bột trên

QL 27 Kết cấu mặt đường mới chỉ có một lớp đất gia cố vôi 8% dày 20cm Mặc dù vậy, mặt đường vẫn được khai thác bình thường trong thời gian hơn một năm Cường độ chung của mặt đuờng đo được dao động từ 980 – 1130 daN/cm2 Năm 1995, Viện đã kết hợp với Sở GTVT Hà Tây ứng dụng thí điểm đất gia cố vôi trên TL21 (nay là TL80) thuộc địa bàn Hà Tây bằng thiết bị phay trộn đất chuyên dùng Tại đoạn thí điểm trên TL80 có kết cấu đất gia cố 10% vôi dày 30cm, lớp mặt đá dăm thâm nhập nhựa sâu dày 7cm Độ võng đàn hồi đặc trưng dưới bánh xe có tải trọng trục 10 tấn đạt 0,86mm, Eđh = 1318 daN/cm2 (kết quả đo ngày 17/6/1995)

– Đoạn thí điểm Quốc lộ 62 – Long An do Phân Viện KHCN GTVT Phía Nam kết hợp với Tổng Công Xây Dựng Công Trình 8 Chi Nhánh Phía Nam thực hiện với máy phay chuyên dùng CS – 120 Kết cấu gồm có lớp móng dưới bằng đất gia cố 7% vôi, dày 20cm; lớp móng trên đất gia cố 10% vôi, dày 22cm; lớp mặt bê tông nhựa nóng dày 6cm Cho đến nay mặt đường làm việt tốt trong điều kiện lưu lượng xe cao

Việc đánh giá kết quả thí điểm ở thực địa theo các chỉ tiêu sau : – Cường độ của lớp đất gia cố và cường độ chung của áo đường có lớp gia cố, đặc trưng bằng các số liệu về mô đun biến dạng, mô đun đàn hồi, độ võng đàn hồi xác định bằng ép tĩnh hoặc chùy rơi chấn động

– Quan trắc sự tiếp xúc giữa lớp đất gia cố với các lớp khác của áo đường

– Độ bằng phẳng của áo đường có dùng lớp gia cố

Qua kết quả nghiên cứu của các cơ sở trong nước và nhất là qua báo cáo giám định đề tài “Nghiên cứu ứng dụng đất gia cố bằng chất kết dính vô cơ trong xây dựng đường ôtô” của Viện KTGT cho thấy :

– Cường độ của đất gia cố vôi chịu ảnh hưởng của tính chất và thành phần của đất Chẳng hạn, với đất sét gia cố vôi cho hiệu quả cao hơn là đất á sét Thành phần khoáng vật của đất cũng có ảnh hưởng lớn tới đất gia cố vôi

– Về tỉ lệ vôi tốt nhất : Theo Viện Kỹ thuật giao thông, với đất khu vực miền Bắc, tỷ lệ vôi hợp lý là từ 8 – 12% theo trọng lượng đất khô; Theo Trường Đại học xây dựng thì với đất sét là 8 – 14% và với đất á sét là 10 – 12%

– Cường độ của đất gia cố vôi ở mọi tỷ lệ vôi đều tăng theo thời gian (Các đoạn thí điểm có theo dõi cường độ cũng đều cho kết luận tương tự)

– Đất gia cố có thể dùng làm vật liệu xây dựng áo đường, thay thế các vật liệu đá nếu chọn được biện pháp gia cố thích hợp và chọn được loại chất liên kết thích hợp với chủng loại đất

– Để chọn được biện pháp gia cố đúng đắn thì cần làm trước các thí nghiệm trong phòng Điều này là cần thiết để việc sử dụng đất gia cố đạt hiệu quả cả về mặt kinh tế lẫn kỹ thuật

– Không nên để xe chạy trực tiếp lên trên các lớp đất gia cố Trường hợp lưu lượng xe nhỏ (mặt đường quá độ) có thể dùng làm lớp mặt nhưng nhất thiết phải có lớp chống hao mòn bên trên, tiếp xúc tốt với lớp đất gia cố

– Hầu hết các thí điểm sử dụng đất gia cố có hiệu quả kinh tế kỹ thuật đáng kể như : Giảm giá thành xây dựng, tiết kiệm vật liệu đá (là vật liệu đắt tiền phải chở từ xa), giảm phương tiện phục vụ công trường như phương tiện vận

chuyển và đầm nén, tăng tốc độ thi công Theo số liệu tính toán thì kinh phí cho móng bằng đất gia cố rẻ hơn so với móng đá có cùng cường độ 15% – 30% Ở vùng xa mỏ đá

thì giá thành công trình giảm từ 10% – 30% Tốc độ thi công so với móng đá hộc tăng

5 lần Công lu giảm 2 – 3 lần và khối lượng vận chuyển giảm từ 4 – 10 lần

– Không nên dùng thủ công hoặc thủ công là chính để thi công các lớp áo đường đất gia cố vì làm nhỏ đất kém, trộn hỗn hợp không đều và thi công chậm

Tuy việc áp dụng ở thời kỳ trước có những khó khăn nhưng các nhà khoa học và các nhà quản lý vẫn nhìn nhận một cách đúng đắn về tính ưu việt của đất gia cố

vôi Ứng dụng đất gia cố là đề tài quan trọng cấp Nhà nước và đã được giám định Việc sử dụng đất gia cố vôi cho phép giảm giá thành từ 10 – 30%, về vật liệu đá giảm 25%

Bộ giao thông vận tải đã ban hành “Quy trình sử dụng đất gia cố bằng chất kết dính vô cơ trong xây dựng đường” mã hiệu QTTC–CHĐ–80–06 năm 1980 [10] Ngày 31/10/1995, Bộ Giao thông vận tải có Quyết định số 4618/QĐ–KHKT về việc ban hành tiêu chuẩn ngành : “Quy trình thi công và nghiệm thu lớp đất gia cố vôi bằng máy chuyên dùng BOMAG hoặc các thiết bị cùng tính năng” Số đăng ký : 22 TCN 229–95 [7]

Từ những kết quả nghiên cứu và qua những phân tích ở trên có thể thấy sử dụng đất gia cố làm áo đường có hiệu quả cao cả về mặt kinh tế và kỹ thuật Tuy nhiên, cho tới nay việc áp dụng kết cấu đất gia cố cho xây dựng áo đường mới chỉ dừng ở mức thử nghiệm chưa triển khai đại trà

I.3/ Đặc điểm làm việc của móng, mặt đường làm bằng đất gia cố

Đối với áo đường mềm truyền thống, từ trước đến nay kết cấu được cấu tạo bằng các lớp vật liệu bố trí theo nguyên tắc môđun đàn hồi giảm dần theo chiều sâu phù hợp với biểu đồ ứng suất z [17].Nguyên lý về cường độ của CPSĐ gia cố vôi + xi măng là dựa vào độ chặt của hỗn hợp vật liệu quyết định bởi thành phần hạt theo cấp phối tối ưu, kết hợp với tỷ lệ gia cố chất kết dính vô cơ (vôi+ximăng) hợp lý và bởi mức độ đầm nén đạt yêu cầu; cũng như sự dính kết của thành phần hạt sét chiếm một

hàm lượng nhất định trong hỗn hợp cấp phối Móng CPSĐ gia cố vôi + ximăng có ưu điểm là cường độ và độ ổn định cao do bản thân CPSĐ có nhiều hạt kết cứng, các hạt này càng cứng khi càng có kích cở lớn; vừa có độ rỗng nhỏ, lại thêm liên kết vôi, xi măng sau khi thủy hóa làm cho hỗn hợp trở thành một khối tương đối thống nhất Chính nhờ ưu điểm này ta có thể sử dụng làm lớp móng trên của các đường cấp cao ( nhiều xe tải nặng) và của đường cao tốc

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ SỰ HÌNH THÀNH CƯỜNG ĐỘ

CỦA CPSĐ GIA CỐ VÔI + XIMĂNG

II.1 Bản chất và tính chất vật lý của CPSĐ :

Như đã biết, đất là sản phẩm của quá trình phong hóa đá gốc, dưới tác động của các tác nhân vật lý, hóa học, sinh học trong một quá trình lâu dài mà đá bị vỡ vụn thành các mảnh nhỏ, phân tán đi xa nhờ dòng nước và gió, cuối cùng trầm tích ở nơi nào đó mà tạo thành đất Ở trạng thái tự nhiên, đất bao gồm nhiều pha hợp thành, pha rắn (hạt khoáng), pha lỏng (nước) và pha khí (không khí trong lỗ rỗng) Đặc trưng điển hình của đất là phân tán ( Đất là một hệ phân tán, [10] ), 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 – 0,005 mm (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, trong đất ngoài khoáng vật nguyên sinh còn có những khoáng vật thứ sinh được tạo ra trong quá trình hình thành của đất Khoáng vật thứ sinh có tính chất khác hẳn so với khoáng vật ban đầu của đá gốc Nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra : Đất sét bao gồm 3 loại khoáng vật chính sau : Ilít, Kaolinít, Montmoriolít, và trong đó, khoáng vật Montmoriolít đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình tương tác với các vật chất mới được đưa từ bên ngoài vào

Các nghiên cứu lý thuyết cũng như thực tiễn đã khẳng định : đất ở điều kiện tự nhiên rất kém ổn định và dễ biến dạng dưới tác động của tải trọng Tuy nhiên, do đặc thù của đất (hệ phân tán, tính chất keo), đất sét ở trạng thái khô có cường độ cao nhưng khi bão hòa nước, các tính chất trên bị giảm nhanh, còn không đáng kể Khi dùng đất sét trong công tác xây dựng đường ôtô, cần có những biện pháp khắc phục các nhược điểm trên, làm cho nó có thể bền vững ngay cả khi bão hòa nước và chịu được tác động của tải trọng xe ở các điều kiện thời tiết khác nhau Sét trong trạng thái tự nhiên có đặc tính của hạt nhỏ phân tán, để chúng có thể ổn định kể cả khi bão hòa nước, cần làm cho chúng mang tính toàn khối, ổn định Để đạt được mong muốn này, người ta trộn thêm vào đất các loại phụ gia 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

II.1.1 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 các hạt mịn trong đất là khi hút ẩm, chúng có tính chất đặc trưng của hệ keo Nếu tỷ lệ hạt nhỏ (sét, keo) trong đất lớn, chúng có những đặc điểm như : có tính dính nhớt, trao đổi ion, tính hấp thụ, khả năng keo tụ và mức độ háo nước cao Đất ẩm là một hệ phân tán, môi trường là dung dịch và lỗ rỗng Mà hệ phân tán nào cũng có một trị số năng lượng bề mặt, năng lượng bề mặt là tích số giữa tổng diện tích bề mặt và trị số sức căng bề mặt Thành phần hạt nhỏ trong đất chiếm tỉ lệ rất cao, như vậy tổng diện tích bề mặt các hạt lớn và do đó năng lượng bề mặt cao Điều này rất quan trọng trong việc điều chỉnh quá trình tác dụng tương hỗ và quá trình hình thành cấu trúc trong gia cố đất

Những phân 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 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 rút rất nhiều các phân tử của vật chất khác

Một yếu tố quan trọng trong việc hình thành các loại đất và tạo nên các tính chất khác nhau của các loại đất là do các hạt keo có mang điện tích Do sức hút bề mặt của các hạt keo nên các ion tự do trong môi trường đất sẽ bị các hạt keo hút vào và do đó hạt keo trở thành hệ mang điện phức tạp

Nhiều công trình nghiên cứu đã khẳng định : đối với đất sét thông thường, lõi keo – sét mang điện tích âm (anion) Chính vì vậy, chúng hút về phía mình các cation của các phân tử lưỡng cực trong môi trường và tạo nên lớp điện kép Bản thân lớp điện kép này ổn định một cách tương đối vì đã tạo ra sự cân bằng điện tích với lõi keo nhưng phía bên ngoài của lớp điện kép lại là những lớp ion khuếch tán với năng lượng nhỏ hơn và giảm dần theo khoảng cách Tiếp theo là môi trường khuếch tán Xem hình 2–1–1

Thường thì không chỉ các ion hòa tan mới bị hút vào hạt keo, cả các hạt lơ lửng trong môi trường nếu tiếp cận với hạt keo cũng bị các hạt keo hút giữ và như vậy các hạt keo đó lại liên kết chặt với các hạt keo khác và liên kết với các hạt khoáng lớn hơn

II.1.2 Ảnh hưởng của hệ keo tới quá trình gia cố đất :

Điện tích của các hạt càng lớn thì hệ keo càng ổn định Nếu có một yếu tố nào đó làm hạt keo trở nên trung hòa điện tích thì sẽ triệt tiêu lực hút tĩnh điện Khi đó, các phân tử HOH phân cực bám quanh hạt keo bị đẩy ra khỏi hạt, hạt phân tách khỏi dung dịch và kết tủa, lúc này hệ keo bị phá vỡ, quá trình này gọi là keo tụ Người ta chia khả năng hấp phụ của đất ra 4 loại : hút cơ học, hút vật lý, hút lý hóa và hút sinh học Với việc gia cố đất thì hút vật lý và hút lý – hóa giữ vai trò quan trọng Khả năng hút vật lý của đất do có năng lượng bề mặt tự do trên mặt tiếp xúc của hạt với dung dịch nước và do sức căng bề mặt Hút vật lý làm cho trên bề mặt hạt đất hình thành các màng hấp phụ bởi những phân tử bị hút từ các chất trong dung dịch.

Hình 2.1 : Cấu trúc hạt keo

Khả năng hút hóa lý có tác động làm thay đổi các tính chất vật lý, cơ học và hóa học của đất Khả năng hút này có ý nghĩa quan trọng tới việc gia cố đất với các chất khác nhau Khi đất chứa nhiều các ion kim loại kiềm, khi bị ẩm sẽ nở thể tích mạnh, trở nên dính và dẻo, mất tính chất chịu lực, tức là thay đổi theo hướng bất lợi về mặt cơ học Nếu đất hấp phụ nhiều các cation hóa trị 2 (Ca++, Mg++) thì ngược lại trở nên keo tụ và khó chuyển sang trạng thái keo chảy do vậy đất ổn định đối với nước Khả năng hút hóa học thể hiện ở đặc điểm hút các chất hòa tan trong dung dịch để tạo các muối không hòa tan hay ít hòa tan, nó đóng vai trò quan trọng khi gia cố đất với vôi

II.1.3 Phân loại cấu trúc trong đất :

Nói chung, có thể chia các cấu trúc làm ba loại : Cấu trúc keo tụ, cấu trúc ngưng kết và cấu trúc kết tinh

II.1.3.1 Cấu trúc keo tụ : chịu sự ảnh hưởng của đầm nén cơ học Đầm nén cơ

học làm tăng độ chặt của đất và các hạt tiếp xúc với nhau trên diện tích rộng hơn

Lớp khuếch tán Lớp ion cân bằng Lớp điện tích âm

Lõi keo

Hạt

Môi trường khuếch tán

Cường độ cấu trúc keo tụ tăng đáng kể nhờ tăng diện tiếp xúc giữa các hạt Cấu trúc keo tụ có cường độ thấp, có thể khôi phục lại cường độ sau khi kết cấu bị phá hủy, người ta gọi tính chất này là tính xúc biến Cấu trúc keo tụ có tính đàn – dẻo và khả năng từ biến

III.1 II.1.3.2 Cấu trúc ngưng kết : Khi cấu trúc keo tụ được thoát nước ( bị ép cho

thoát nước ra làm giảm thể tích pha lỏng, thành phần nước tự do bay hơi) thì nó chuyển dần thành cấu trúc ngưng kết Cấu trúc ngưng kết có được nhờ liên kết hóa học, chúng có cường độ cao, tính dòn, đàn hồi nhưng không có khả năng biến dạng dư, không có tính xúc biến Cấu trúc ngưng kết trong điều kiện tự nhiên không có khả năng chịu nước, chúng trở nên mất hoàn toàn cường độ khi bão hòa nước

III.1 II.1.3.3 Cấu trúc kết tinh : Khác với cấu trúc ngưng kết, cấu trúc kết tinh lại có

tính ổn định nước Đó là kết quả kết nối các tinh thể pha rắn hình thành trong các dung dịch bão hòa Nó phát triển trên cơ sở cấu trúc keo tụ nhờ hòa tan vào nước các thành phần của pha rắn có trước hay dung dịch quá bão hòa đối với các chất thủy hóa mới hoặc sự kết tinh của các chất trong dung dịch trong quá trình biến đổi

Để gia cố đất đạt hiệu quả, tức là tạo điều kiện tốt cho việc hình thành các cấu trúc mới cần thực hiện tốt các khâu công nghệ : Làm nhỏ đất đến trạng thái tơi, mịn; phân bố đều các chất liên kết dùng để gia cố ; làm đều độ ẩm ở độ ẩm tốt nhất cho đất gia cố ; lu lèn đạt độ chặt yêu cầu ; bảo dưỡng tạo các điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm ở trạng thái tốt nhất cho sự biến cứng của đất

II.2 Vật liệu vôi dùng trong gia cố :

Vôi là sản phẩm của quá trình nung nóng đá vôi (CaCO3, MgCO3) đến nhiệt độ từ 10000C – 12000C khi đó xảy ra các phản ứng hóa học sau :

CaCO3 CaO + CO2 MgCO3 MgO + COt0 2

t0

Thành phần chủ yếu của vôi là CaO, ngoài ra còn có các hợp chất khác như MgO, SiO2 Về chất lượng của vôi, người ta quan tâm tới hàm lượng CaO và MgO hoạt tính vì các thành phần này đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành nên cường độ của hỗn hợp đất gia cố Để đánh giá chất lượng vôi cần xem xét các chỉ tiêu sau :

+ Chỉ tiêu hàm lượng CaO + MgO hoạt tính

+ Tốc độ tôi và nhiệt độ tôi của vôi bột nghiền

+ Độ mịn của vôi bột nghiền

Vôi dùng cho gia cố đất có thể dùng vôi bột nghiền chưa tôi, có thể dùng vôi đã thủy hóa tức là vôi đã tôi hoặc có thể dùng vôi tả, tuy nhiên, gia cố đạt hiệu quả cao nhất vẫn là dùng vôi cục nghiền

II.3 Vật liệu ximăng dùng trong gia cố :

Ximăng là loại vật liệu kết dính vô cơ nhân tạo được sản xuất chủ yếu từ nguyên liệu đá vôi, đất sét, quặng sắt và thạch cao

Ximăng là chất kết dính dạng bột, sau khi trộn với nước sẽ xảy ra quá trình thủy phân thủy hóa ximăng và ximăng sẽ đóng rắn

Hiện nay trong sử dụng ximăng Poóc lăng là loại được sử dụng rộng rãi nhất Ximăng Poóc lăng được sản xuất từ nguyên liệu đá vôi, đất sét, quặng sắt và thạch cao Thành phần hóa học của ximăng Poóc lăng bao gồm các loại ôxít sau:

Cao chiếm tỷ lệ 60 - 68%

SiO2 chiếm tỷ lệ 21 - 24%

Al2O3 chiếm tỷ lệ 4 - 7%

Fe2O3 chiếm tỷ lệ 2 - 4%

MgO chiếm tỷ lệ < 4.5%

SO3 chiếm tỷ lệ < 3.0%

CaO là thành phần chủ yếu nhất của ximăng Poóc Lăng Lượng CaO vừa đủ thì ximăng có cường độ cao nhưng hàm lượng CaO quá cao sẽ có khó khăn trong quá

trình nung luyện, đòi hỏi phải có nhiệt độ nung cao, mặt khác sẽ có nhiều CaO tự do làm cho bê tông dễ bị ăn mòn

SiO2 cũnglà thành phần chủ yếu của xi măng Hàm lượng SiO2 nhiều sẽ kéo dài thời gian đông cứng của xi măng

Al2O3 có tác dụng làm nhanh thời gian đông cứng của ximăng Nếu Al2O3 quá nhiều sẽ làm cho ximăng đông cứng rất nhanh và ximăng kém ổn định

Fe2O3 có tác dụng như một chất xúc tác , nhờ nó sẽ giảm được thời gian và nhiệt độ nung Nếu Fe2O3 ít, nhiệt độ nung phải cao hơn

Các ôxít MgO, SO3 là thành phần có hại nhưng khó loại bỏ được

Thành phần khoáng vật của ximăng bao gồm :

Silicát tricanxít 3CaOSiO2 (C3S)

Silicát bicanxít 2CaOSiO2 (C2S)

Aluminát tricanxít 3CaOAl2O3 (C3A) Feroaluminát têtracanxít 4CaOAl2O3Fe2O3 (C4AF)

Ngoài ra còn một số thành phần phụ như 5CaO.3Al2O3; 2CaOFe2O3 và MgO, CaO tự do Trong ximăng Poóc lăng tỷ lệ thành phần các khoáng vật như sau: C3S chiếm 37-60% Đây là thành phần quan trọng nhất, có cường độ cao, tốc độ rắn kết nhanh, tỏa nhiều nhiệt Hàm lượng C3S trong xi măng càng cao thì chất lượng càng tốt

C2S chiếm 15-37%, có cường độ trung bình rắn kết chậm.Và cường độ phát triển theo thời gian

C3A chiếm 10-18% Rắn kết nhanh nhưng cường độ thấp, tỏa nhiều nhiệt, dễ bị nứt nẻ

C4AF chiếm 7-15% Rắn kết nhanh, cường độ trung bình và phát triển theo thời gian khá rõ rệt.Các thành phần phụ khác như SO4Ca2H2O vào khoảng 2-5% có tác dụng làm chậm tốc độ đông kết của ximăng

MgO, CaO, SO3 là những chất có hại nhưng không loại bỏ được hoàn toàn, nên phải khống chế MgO < 4.5%, CaO < 0.5%, SO3 < 3.5%

Quá trình rắn kết của ximăng

Ximăng sau khi kết hợp với nước sẽ tạo thành những chất mới và quá trình rắn kết xảy ra Đây là một quá trình biến đổi hóa lý rất phức tạp và phụ thuộc nhiều yếu tố: thành phần hóa học của ximăng, tỷ lệ nước nhào trộn, độ mịn của ximăngsau khi trộn với nước xảy ra theo 3 giai đoạn :

- Giai đoạn hòa tan : Xảy ra các phản ứng giữa nước và các thành

phần khoáng vật trong ximăng tạo thành các chất mới hòa tan, nồng độ tăng dần đến mức bão hòa

- Giai đoạn ngưng keo : Các chất mới tạo thành có nồng độ bão hòa

do bị mất nước nên ngưng tụ lại ở dạng keo, làm cho hồ ximăng mất dần tính dẻo và bắt đầu ninh kết

- Giai đoạn kết tinh : Từ khi ngưng keo hồ ximăng bắt đầu chuyển

sang dạng kết tinh , bắt đầu hình thành cường độ Trong giai đoạn kết tinh cần tránh mọi chấn động để quá trình đông rắn thực hiện được đầy đủ Trong quá trình rắn kết của ximăng do ảnh hưởng môi trường, một phần hàm lượng nước cần thiếtcho quá trình thủy phân và thủy hóa ximăng bị bay hơi Vì thế trong giai đoạn này phải tiến hành bảo dưỡng cẩn thận ( nghĩa là phải tưới ẩm để bù lại phần nước bị bay hơi) để cho quá trình rắn kết thực hiện được hoàn chỉnh

Ximăng dùng trong CPSĐ gia cố phải là các loại ximăng Poóc lăng thông thường có các đặc trưng kỹ thuật phù hợp các quy định ở Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành ( TCVN 2682 – 92 ) Ở đây không nên dùng xi măng mác cao có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày > 400 daN/cm2 hoặc < 300 daN/cm2 Ximăng phải có thời gian bắt đầu ninh kết tối thiểu là 120 phút và càng chậm càng tốt

II.4 Nước dùng trong gia coÁ :

Nước dùng để trộn CPSĐ gia cố vôi + ximăng :

- Không có váng dầu hoặc váng mỡ

- Không có màu

- Lượng hợp chất hữu cơ không vượt quá 15mg/l

- Có độ pH không nhỏ hơn 4 và không lớn hơn 12.5

- Lượng muối hòa tan không lớn hơn 2000mg/l

- Lượng ion sunfat không lớn hơn 600mg/l

- Lượng ion Clo không lớn hơn 350mg/l

- Lượng cặn không tan không lớn hơn 200mg/l

II.5 Bản chất sự hình thành cường độ của cpsđ gia cố vôi + ximăng:

CPSĐ sau khi được trộn với vôi+ximăng lập tức xảy ra các quá trình vật lý, hóa học và hóa – lý phức tạp , diễn ra trong một khoảng thời gian dài Nhiều công trình nghiên cứu ở trong nước và trên thế giới đã khẳng định sự hình thành cường độ của đất gia cố vôi + ximăng chủ yếu do các nguyên nhân sau :

II.5.1 Sự hình thành cường độ do cấu trúc keo tụ :

Sau khi trộn CPSĐ với vôi+ximăng thì xảy ra phản ứng thủy hóa và tạo thành phân tử hydrôxit can xi

CaO + H2O Ca(OH)2 Ca(OH)2 có tính điện ly, chúng phân ly thành các ion Ca++ và (OH)– Khi nồng độ Ca++ trong dung dịch tăng lên, nó có vai trò quan trọng trong việc hình thành và phát triển cường độ của hỗn hợp Các ion mang hóa trị 2 như Ca++ và Mg++ trong đất tăng cao sẽ xâm nhập và khuếch tán chung quanh hạt sét thay thế các phân tử HOH lưỡng cực Hạt sét sẽ trở nên cân bằng điện tích do điện tích âm của lõi keo được trung hòa bởi các ion dương kể trên và chính vì thế bề dày các màng nước ép chặt xung quanh hạt sét giảm đi Màng nước xung quanh các hạt bị phá vỡ, nước tự do tách rời khỏi dung dịch, xảy ra hiện tượng keo tụ và hệ keo bị phá vỡ Sự hình thành cường độ do cấu trúc keo tụ là quan trọng, nó làm cho hỗn hợp đất gia cố có tính chịu nước

Các hạt trở nên trơ, khi bị bão hòa nước chúng không còn hiện tượng nở thể tích và do đó cải thiện đáng kể tính dính và dẻo của đất Keo tụ là cấu trúc đơn giản, các hạt rời sắp xếp tạo thành mạng lưới không gian vô định hình do chuyển động Brao Trong khi chuyển động, các hạt nhỏ bị va đập vào nhau và va đập vào các hạt lớn tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình keo tụ lan rộng (các hạt đất liên kết thành khối lại với nhau) và

do đó hỗn hợp trở nên ổn định và bền vững hơn ban đầu

Một tính chất quan trọng của cấu trúc keo tụ là chúng có khả năng xúc biến tối

đa, tức là có thể khôi phục hoàn toàn cường độ sau khi bị xáo trộn Quá trình lu lèn rất có ảnh hưởng tới sự tạo thành cường độ Mức độ tăng độ chặt càng cao thì các hạt càng ép sát nhau, nhờ vậy số chỗ tiếp xúc trong một đơn vị thể tích và cường độ của cấu trúc keo tụ cũng tăng cao theo Sau khi vôi + ximăng được trộn kỹ với CPSĐ và tưới ẩm, phản ứng thủy hóa xảy ra, khi này quá trình keo tụ bắt đầu Sau khi trộn, tiến hành công tác đầm nén, do tác động của công đầm nén mà các hạt đất bị ép sát lại với nhau tạo điều kiện cho sự tiếp xúc tốt giữa các hạt đất Đối với cấu trúc keo tụ thì cường độ hình thành là do sự biến cứng xúc biến Nếu công đầm nén lớn, độ chặt cao làm cho diện tích tiếp xúc giữa các hạt càng lớn thì cường độ của cấu trúc càng cao

II.5.2 Sự hình thành cấu trúc kết tinh :

Cường độ của cấu trúc đất trong CPSĐ gia cố vôi+ximăng còn phụ thuộc vào sự hình thành các cấu trúc kết tinh Cấu trúc kết tinh có cường độ và tính chịu nước cao nhất so với các cấu trúc keo tụ, ngưng kết Cấu trúc kết tinh hình thành do trong dung dịch quá bão hòa các chất điện ly Ca++ và Mg++, chúng kết tinh thành dạng tinh thể của các chất mới được tạo thành trong quá trình gia cố đất – vôi – ximăng Các tinh thể này kết tinh thành khối và dính bám vào các hạt đất tạo ra dạng khung kết cấu bền vững

Sau khi vôi+ximăng được trộn với CPSĐ và bổ sung nước, vôi + ximăng tự do sẽ thủy hóa tạo ra Ca(OH)2 Đây là chất có tính tan yếu, trong môi trường đất đã lu lèn chặt, thể tích pha lỏng bị các hạt chèn ép và chiếm chỗ, nước bị ép ra ngoài, nồng

độ Ca++ tăng vượt quá nồng độ dung dịch bão hòa, khi đó Ca(OH)2 bắt đầu kết tinh Nếu mức độ lu lèn đất đạt độ chặt càng cao thì các hạt càng bị ép sát vào nhau, không gian cho pha lỏng bị thu hẹp lại, do đó mà nồng độ Ca++ càng tăng dẫn đến việc kết tinh Ca(OH)2 càng mạnh Các tinh thể Ca(OH)2 dính bám lên bề mặt các hạt đất và kết nối chúng với nhau, làm cho cường độ đất gia cố tăng lên Tuy cường độ Ca(OH)2

kết tinh không cao nhưng đây là nguyên nhân hình thành cường độ hỗn hợp đất gia cố vôi + ximăng trong giai đoạn đầu

Vôi trong xây dựng là chất không biến cứng được trong nước Khi vôi tác dụng với các hạt sét mịn phân tán, nó biến thành chất có thể biến cứng được trong nước và trong điều kiện ẩm nó biến cứng càng nhanh Các công trình nghiên cứu ở nhiều nước đã chỉ ra rằng : nguồn gốc hình thành đất, chất mùn và thành phần khoáng trong đất có ảnh hưởng rất quan trọng đến hiệu quả đất gia cố vôi Các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, khi gia cố đất với xi măng, mẫu được biến cứng trong nước sẽ đạt cường độ rất tốt, còn nếu để mẫu biến cứng trong không khí, cường độ đạt được lại thấp hơn do quá trình thủy hóa của xi măng bị tắt dần Như đã biết : vôi là chất biến cứng trong không khí, nhưng nếu cho mẫu đất gia cố vôi biến cứng trong nước thì mẫu vẫn cho cường độ đảm bảo và tính chịu nước tốt Có thể giải thích điều này là khi xảy

ra sự tương tác giữa 2 thành phần vôi và đất ở trong nước thì trên bề mặt các hạt nhỏ sẽ xảy ra phản ứng hóa học để tạo thành hydro silicat can xi tức là xi măng hóa đất Vôi khi được trộn với đất theo thời gian sẽ xảy ra các phản ứng kết hợp với SiO2 có trong đất để tạo ra hydro silicat canxi CaO.SiO2.nH2O, chất này tồn tại ở dạng kết tinh và biến cứng Ngoài ra, trong đất gia cố vôi cũng diễn ra khả năng cacbônát hóa CaO, nhưng vì đất là môi trường yếm khí nên phản ứng này diễn ra không đáng kể Tuy nhiên, cả hai khả năng xi măng hóa (CaO.SiO2.nH2O) và khả năng cacbonát hóa (CaCO3) đều diễn ra một cách chậm chạp và kéo dài nhiều năm

II.5.3 Quá trình hydrat hóa các khoáng của xi măng portland :

II.5.3.1 Sự hydrat hoá các khoáng silicat canxi :

Các khoáng silicat canxi trong Xi măng Portland chủ yếu : Alit (C3S) và Belit (C2S)

II.5.3.1.1 Sự hydrat hóa các khoáng C 3 S :

C3S phản ứng rất nhanh và mãnh liệt trong môi trường nước

- Môi trường nước ròng ( không chứa muối khoáng, nước nhiều) C3S bị thủy phân hoàn toàn tạo thành Hydro silic (SiO2.nH2O) và Portlandite (Ca(OH)2)

C3S + nH2O –> SiO2.(n-3)H2O + 2Ca(OH)2

- Môi trường nước có nồng độ vôi tương đương 0.05g CaO/lit

C3S + nH2O –> CaO.SiO2.(n-2)H2O + 2Ca(OH)2

(Tobermonite) (độ bazic = 1)

- Môi trường nước có nồng độ vôi tương đương 0.8g CaO/lit

2C3S + nH2O –> 3CaO.2SiO2.(n-3)H2O + 3Ca(OH)2

(Alwilite) (độ bazic = 1.5)

- Môi trường nước có nồng độ vôi tương đương 1.19g CaO/lit

C3S + nH2O –> 2CaO.SiO2.(n-1)H2O + Ca(OH)2

(Hillerbrandite) (độ bazic = 2)

Độ bazic càng tăng thì độ pH càng tăng do đó khoáng dễ bị phân hủy

II.5.3.1.2 Sự hydrat hóa khoáng C 2 S

C2S phản ứng thủy hóa, thủy phân chậm hơn so với khoáng C3S

- Trong môi trường nước ròng C2S thủy phân hoàn toàn tạo hydo silic và

- Môi trường nước có nồng độ vôi tương đương 1.19g CaO/lit

C2S + nH2O –> 2CaO.SiO2.nH2O

* Tóm lại :

- Quá trình thủy phân của khoáng silicat canxi xảy ra hoàn toàn khi mẫu được dưỡng hộ trong môi trường có 1 lượng nước lớn hoặc luôn luôn thay đổi 1 lượng nước mới Ngược lại các khoáng sẽ thủy phân không hoàn toàn khi mẫu được bảo dưỡng với 1 lượng nước nhỏ

- Sản phẩm của quá trình hydrat hóa các khoáng silicat canxi là các hydro silicat canxi và portlandite Tùy thuộc vào nồn độ vôi tron nước mà các hydo silicat canxi tạo thành là Tobermonite (độ bazic = 1), Alwilite (độ bazic = 1,5), Hillerbrandite (độ bazic = 2) Công thức chung : mCaO.nSiO2.pH2O

- Trong quá trình thủy phân : Ca(OH)2 tạo thành sẽ hòa tan vào dung dịch và theo thời gian phản ứng thì nồng độ Ca(OH)2 sẽ tăng dầng cho đến trạng thái quá bão hòa và sẽ kết tinh thành tinh thể dạng tấm

II.5.3.2 Sự hydrat hóa của khoáng Aluminat canxi :

Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy khoáng Aluminar canxi trong xi măng portland tồn tại chủ yếu dưới dạng C3A và C12A7 2 khoáng này khi tác dụng với nước thì phản ứng xảy ra mãnh liệt và bị thủy pâhn hoàn toàn

- Nước ròng

C3A + 6 H2O –> 3 Ca(OH)2 + 2 Al(OH)3

- Nước ít

C3A + nH2O –> C3A.nH2O

- Trong môi trường nước có nồng độ vôi

C3A.nH2O + Ca(OH)2 –> C4A.(n+1)H2O

Theo nhiều nhà khoa học trong sản phẩm đóng rắn của xi măng portland tồn tại chủ yếu và ổn định là dạng C3AH6 (hecxa hydro aluminat tricalcite)

C12A7 + 51H2O –> 6 C2AH8 + Al(OH)3

C12AH8 + Ca(OH)2 –> C3AH6 + 3H2O

3 Ca(OH)2 + 2Al(OH)3–> C3AH6 + 3H2O

C3AH6 + Ca(OH)2 + 6H2O –> C4AH13

II.5.3.3 Sự hydrat hoá của khoáng alumoferit – tetracalcite C 4 AF

Khoáng C4AF khi hydrat hóa phụ thuộc vào nồng độ vôi của dung dịch và phụ thuộc nhiệt độ của quá trình hydrat hóa

- Môi trường nước lớn (nước ròng)

+ Nhiệt độ : 0oC-20oC : C4AF + (n+3)H2O –> C4A.nH2O + 2Fe(OH)2

+ Nhiệt độ : 20oC-25oC : C4A.nH2O –> C3A6 + Ca(OH)2 + pH2O

- Môi trường vôi bão hòa :

+ Nhiệt độ : 0oC-20oC : C4AF + H2O –> C4(AF)H13

+ Nhiệt độ : 20oC-25oC : C4AF + 7H2O –> C3(AF)H6 + Ca(OH)2

C3(AF)H6 bền hơn C4(AF)H13

II.5.3.4 Sự hydrat hóa của các khoáng 4 cấu tử :

II.5.3.4.1 Khoáng hydro ghelenit :

2CaO.Al2O3.SiO2.8H2O ( C2ASH8 ) : khoáng này được tạo thành ở điều kiện thường hoặc điều kiện thủy nhiệt

2Ca(OH)2 + SiO2* + Al2O3* -> C2ASH8

C2ASH8 làm cho xi măng ổn định trong môi trường xâm thực , môi trường nước vôi chưa bão hòa nhưng không ổn định trong môi trường nước chứa thạch cao và trong môi trường nước có nồng độ vôi thì nó hút vôi để tạo thành C3ASH8

C2ASH8 + Ca(OH)2 –> C3ASH8 + H2O

II.5.3.4 Khoáng hydro granat : C 3 AS 2 H 2

Khoáng này được tạo thành từ 2 khoáng C3AS3 và C3FS3 gọi là granat khan nước Khoáng hydro granat làm cho xi măng ổn định trong môi trường Sunfat

Tóm lại :

Quá trình hydrat hóa của xi măng Portland diễn ra như sau :

Đầu tiên là các khoáng Silicat , Aluminat và feroaluminat canxi sẽ tiến hành phản ứng thủy hóa và thủy phân với nước để tạo thành các gel hydro Silicat canxi và hydro aluminat canxi

C3AH6 , C3FH6 Các sản phẩm này đầu tiên ở dạng gel hydrat và các gel này hòa tan vào dung dịch cho đến khi đạt trạng thái quá bão hòa thì kết tinh thành tinh thể , các tinh thể này dần dần keo tụ , tách nước bao bọc quanh hạt xi măng và kiềm hãm tốc độ hydrat hóa của các hạt xi măng , theo thời gian tinh thể này liên kết lại với nhau tạo cho sản phẩm có cường độ

Ngoài ra trong xi măng còn có đá thạch cao CaSO4.2H2O ( khi nghiền clinke cho vào 3-5% để giảm quá trình ninh kết, đóng rắn của xi măng )

C3AH6 + 3CaSO4.2H2O + 20H2O –> 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

(C3ACS3H32)

C3AH6 + CaSO4.2H2O + 4H2O –> C3ACSH12

Trong xi măng Portland còn có CaO tự do và MgO tự do

CaO tự do + H2O –> Ca(OH)2 Portlandite MgO tự do + H2O –> Mg(OH)2 Brucic CaO , MgO tự do tạo thành khi nung đá vôi

- Ca(OH)2 : dễ hòa tan , gây ăn mòn tạo rỗng trong cấu trúc

- C3AH6 : bền nhất đối với các khóang hydrat aluminat canxi, kết tinh hạt thô, ninh kết rắn chắc nhanh

- C3FH6 : bền nhất trong các khóang hydrat ferat canxi

- C3S2H3 : khóang bền nhất , kết tinh hạt mịn , tạo nên cường độ cao cho đá xi măng , cường độ phát triển lâu dài theo thời gian -> tạo độ đặc chắc trong cấu trúc ximăng , C3S2H3 chiếm 75-80%

II.5.4 Quá trình hydrat hóa các khoáng trong vôi nghiền

Quá trình đóng rắn của vôi nghiền dựa vào thuyết Bai-cốp gồm 3 giai đọan :

Giai đọan hòa tan :

Khi trộn với nước ngay tức khắc có quá trình hòa tan trong môi trường – giai đọan chuẩn bị

Giai đọan thứ hai :

Xảy ra sự hydrat hóa các thành phần trong vôi nghiền để tạo nên dạng keo những hạt Ca(OH)2 vô cùng nhỏ nồng độ ngày càng nhiều có xu thế dẫn tới kết tinh tạo nên hệ gồm có vật chất tinh thể dính kết với nhau bằng keo hydrat Ca(OH)2

Khi đóng rắn vôi không thể bỏ qua tác nhân cát ( cát cho vào khi nghiền ) Theo thời gian SiO2 tác dụng với Ca(OH)2 tạo thành hydro Silicat canxi Ngòai ra trong lúc nung vôi có 1 lượng nhỏ tạp chất sét từ đó trong nhiệt độ

900 – 1200oC sẽ tạo nên phản ứng pha rắn hình thành khóang aluminat , pherit và Silicat canxi Tuy hàm lượng nhỏ nhưng cũng kể đến quá trình đóng rắn như các khóang của xi măng tạo nên hydro aluminat , hydro pherit và hydro Silicat canxi bổ sung thêm cho sự phát triển cường độ của vữa vôi nghiền

2SiO2 + 3Ca(OH)2 –> C3S2H3 + 3H2O

2C3S + H2O –> C3S2H3 + 3Ca(OH)2

C3A + 6H2O –> C3AH6

C3AH6 + Ca(OH)2 + H2O –> C4AH13

C4AF + nH2O –> C3A2H6 + CaO.Fe2O3.qH2O

CaO.Fe2O3.qH2O + Ca(OH)2 –> C3FH6 + pH2O

Khi vôi ra lò không thể tránh khỏi còn CaCO3 và MgCO3 khi đóng rắn tạo hydro cacbonat canxi

CaCO3 + nCa(OH)2 + mH2O –> CaCO3.nCa(OH)2.mH2O

CaCO3 , MgCO3 làm tăng quá trình đóng rắn và cường độ của vôi nghiền

Giai đọan đóng rắn :

Sản phẩm đóng rắn của vôi nghiền gồm Ca(OH)2 dạng keo sau tái kết tinh , Mg(OH)2 kết tinh chậm hơn , Cacbonat hóa Ca(OH)2 tạo CaCO3 và tập hợp các hợp chất hydrat Silicat canxi khi tác dụng với SiO2 , ( theo Vurơnazốp thì Mg(OH)2 tuy phản ứng chậm nhưng vẫn có khả năng tạo nên hydro Silicat Manhê ) , cuối cùng là các hợp chất hydro cacbonat canxi hay manhê và các sản phẩm hydro Silicat ,

aluminat , ferit canxi khi tạo thành lúc nung lọai đá vôi có lẫn tạp chất sét

II.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ và độ ổn định của CPSĐ gia cố vôi+ximăng :

Cường độ của CPSĐ gia cố vôi+ximăng được hình thành bởi các nguyên nhân như đã dẫn ở trên Do vậy, để đạt được hiệu quả trong qua trình gia cố CPSĐ với vôi+ximăng cần chú ý tới các yếu tố sau đây :

1 Tính chất và nguồn gốc tạo thành của vật liệu gia cố

2 Thành phần hạt của vật liệu gia cố

3 Hàm lượng CaO và MgO hoạt tính của vôi và ximăng

4 Công nghệ làm tơi vật liệu

Phân bố đều vôi+ximăng vào trong CPSĐ và đúng hàm lượng cần trộn theo quy định là mộât trong những yêu cầu kỹ thuật quan trọng Hỗn hợp CPSĐ được làm tơi nhỏ sẽ tạo khả năng phân bố vôi+ximăng càng đều và do đó, diện tiếp xúc giữa vôi+ximăng với đất càng lớn Điều này tạo thuận lợi cho các ion Ca++ phân bố và xâm

nhập vào các lớp nước màng mỏng bao quanh các hạt, thúc đẩy quá trình keo tụ phát triển Mặt khác, khi diện tiếp xúc giữa đất và vôi+ximăng lớn thì càng thúc đẩy phản ứng xi măng hóa tạo ra CaO.SiO2.H2O trong hỗn hợp đất gia cố Nếu đất được làm mịn nhỏ để vôi+ximăng phân bố đều sẽ giúp cho các tinh thể kết tinh bám đều trên diện rộng các hạt đất, đảm bảo sự liên kết các hạt đất với nhau mang tính toàn khối đồng nhất và cường độ tăng cao

5 Độ ẩm hỗn hợp : Độ ẩm của hỗn hợp CPSĐ gia cố vôi+ximăng phải thật đều và đúng độ ẩm tốt nhất Lượng nước không được quá thừa trong hỗn hợp vì nếu thừa thì công tác lu lèn không đạt được độ chặt lớn nhất, mặt khác lượng nước quá dư sẽ làm chậm quá trình kết tinh Ca(OH)2 CPSĐ đạt độ ẩm tốt nhất rất quan trọng vì sẽ đảm bảo vừa đúng lượng nước cần thiết cho các phản ứng hóa học xảy ra, vừa đủ để giảm ma sát giữa các hạt trong quá trình lu lèn, không có lượng nước dư chiếm thể tích lỗ rỗng trong hỗn hợp

6 Công tác lu lèn :

Lu lèn phải đạt độ chặt lớn nhất Công lu có ảnh hưởng lớn tới việc tăng cường độ của CPSĐ gia cố vôi+ximăng Khi lu đạt độ chặt càng lớn thì các hạt đất càng bị ép sát nhau, do vậy diện tích xúc giữa hạt đất và vôi+ximăng càng lớn Điều này sẽ thúc đẩy việc xâm nhập của các ion Ca++ vào lớp nước bao bọc xung quanh hạt đất và phá vỡ hệ keo, chuyển sang cấu trúc keo tụ, là dạng cấu trúc ban đầu tạo nên cường độ của đất gia cố vôi+ximăng Mặt khác khi diện tiếp xúc giữa đất và vôi+ximăng lớn thì thành phần silicat có trong đất sẽ tiếp xúc tốt với vôi+ximăng thủy hóa và xảy ra phản ứng tạo ra Ca.SiO2.nH2O Lu chặt đất còn có tác dụng làm cho các hạt đất ép sát vào nhau, làm giảm thể tích của pha lỏng, do vậy mà tăng nồng độ của ion Ca++ hòa tan trong dung dịch Vì Hydroxit canxi là chất kém hòa tan nên khi nồng độ ion Ca++

quá mức bão hòa thì Hydroxit canxi sẽ kết tinh và làm tăng cường độ của CPSĐ gia cố vôi+ximăng

7 Nhiệt độ và độ ẩm (bảo dưỡng)

Phải chú ý bảo đảm điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm cần thiết cho quá trình phát triển cường độ của CPSĐ gia cố vôi+ximăng CPSĐ gia cố vôi+ximăng hóa rắn rất tốt trong điều kiện ẩm, vì vậy phải tạo môi trường đủ ẩm cho hỗn hợp phát triển cường độ Thông thường, có thể tưới lớp nhựa đường nhũ tương mỏng để giữ ẩm hoặc rải cát trên mặt, tưới nước hàng ngày Cường độ hỗn hợp CPSĐ gia cố vôi+ximăng cũng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ hóa rắn, ở nhiệt độ cao, cường độ của hỗn hợp CPSĐ gia cố vôi+ximăng tăng nhanh hơn và đạt trị số lớn hơn nếu hóa rắn ở nhiệt độ thấp