Nghiên cứu khả năng tái sử dụng bùn nạo vét kênh rạch kết hợp tro bay làm vật liệu xây dựng

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Đồng bằng sông Cửu Long là khu vực thường xuyên trải qua quá trình bồi lắng và xói lở, ảnh hưởng đến dòng chảy và xâm thực mặn Hằng năm, việc nạo vét kênh rạch và sông ngòi được thực hiện để điều tiết dòng chảy, với vật liệu chủ yếu là trầm tích và vật liệu bồi lấp Khu vực này được bao phủ bởi lớp trầm tích trẻ dày, bao gồm đất sét yếu, cát chảy và bùn Nghiên cứu cho thấy trầm tích gần bờ sông và bờ biển chủ yếu là các thành tạo trầm tích vụn cơ học bở rời, bị tác động và tái vận chuyển bởi dòng sông, dẫn đến sự phân bố hạt từ thô đến mịn Một số khu vực có trầm tích hiện đại như bùn và bùn cát, trong khi ven bờ chủ yếu là các trầm tích cát, cát bột, cát bùn, bùn và sét.

Đồng bằng sông Cửu Long nhận lượng lớn phù sa theo mùa nước lên, trong đó một phần chảy ra biển và phần còn lại bồi lắng tại các khu vực cửa sông và ven biển Việc nạo vét luồng lạch cần được thực hiện thường xuyên để duy trì an toàn hàng hải và phục hồi độ sâu, kích thước của các tuyến đường hàng hải Các vật liệu nạo vét chứa cát, sỏi có thể được tái sử dụng cho san lấp và xây dựng, trong khi lượng lớn sét và bùn phải xử lý bằng cách chôn lấp, gây ô nhiễm môi trường và tốn kém chi phí Để đáp ứng nhu cầu nạo vét, cần thiết lập các khu vực đổ thải trên biển, nhằm bảo đảm phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường.

Bộ Giao thông vận tải đang triển khai xây dựng và phê duyệt quy hoạch chi tiết cho các nhóm cảng biển, dựa trên Quy hoạch tổng thể phát triển hệ thống cảng biển Việt Nam đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt, nhằm phát triển hệ thống cảng biển một cách bền vững.

Hiện nay, hoạt động nạo vét và đổ thải vật liệu nạo vét tại các tuyến luồng hàng hải được điều chỉnh theo Quyết định số 73/2013/QĐ-TTg ngày 27/11/2013 của Thủ tướng Chính phủ Quyết định này nhằm thí điểm thực hiện cơ chế nạo vét và duy tu các tuyến luồng hàng hải do Bộ Giao thông vận tải quản lý, đồng thời tuân thủ Nghị định 18/2015/NĐ-CP.

Ngày 14/02/2015, Chính phủ ban hành CP quy định về quy hoạch bảo vệ môi trường, đánh giá môi trường chiến lược, đánh giá tác động môi trường và kế hoạch bảo vệ môi trường Theo Nghị định số 59/2007/NĐ-CP ngày 09/4/2007, Chính phủ quy định về quản lý chất thải rắn, trong đó Điều 10 nêu rõ trách nhiệm của tổ chức trong việc lập, phê duyệt và quản lý quy hoạch quản lý chất thải rắn.

Bảng 1.1:Khối lượng nạo vét các luồng cảng hàng hải năm 2015 [5]

STT Tên luồng Khối lượng nạo vét (m3)

Bảng 1.2:Bùn thải nạo vét và giải pháp xử lý Địa điểm

Mục đính chính Công trình

Quản lý vật liệu đắp, nạo vét Khối lượng

Nạo vét, Cắt cong Kênh dẫn nước Kè mỏ hàn

Tái sử dụng đất sét của nhà máy gạch

Sử dụng các vật liệu không phải đất sét cho công tác cải tạo đất nông nghiệp

Do Bui Điều chỉnh Bán kính cong

Sử dụng toàn bộ vật liệu cho công tác cải tạo đất nông nghiệp

Kênh nối Buồng âu Nạo vét Cắt cong

Tái sử dụng đất sét của nhà máy gạch

Sử dụng các vật liệu không phải đất sét cho công tác cải tạo đất nông nghiệp

Liên kết biển và sông

Luồng tàu chạy Đê biển Nạo vét

Sử dụng 25% vật liệu cho công tác cải tạo đất nông nghiệp

Sử dụng 75% vật liệu cho công tác đắp hệ thống đê mới

Nâng cấp cảng công nghiệp

Xây dựng bến đỗ Bãi chứa mới Nhà kho mới

Hệ thống thoát nước Thiếp bị xếp, đỡ

Hệ thống xả nước thải Đỗ đất thải 10 300 m3

Xây dựng bến đỗ Đỗ đất thải 16 100 m3

Theo khảo sát tại tỉnh Kiên Giang, bùn cát bồi lắng không chỉ ở phần dung tích chết mà còn ảnh hưởng đến dung tích hiệu dụng, gây cản trở dòng chảy Việc nạo vét là cần thiết để đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt và phát triển nông nghiệp, đồng thời khơi thông luồng lạch và tăng dung tích trữ nước Nạo vét cũng giúp thu hồi vật liệu xây dựng, ổn định giá cả và thu hút đầu tư cho các dự án lớn, ngăn chặn khai thác cát trái phép, bảo vệ môi trường và tăng nguồn thu ngân sách Đặc điểm địa lý của Kiên Giang, tỉnh ven biển thuộc đồng bằng sông Cửu Long, có diện tích lớn và tiếp giáp Campuchia, với bờ biển dài và nhiều đảo, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển nông nghiệp và du lịch Hệ thống kênh rạch tại đây rất quan trọng cho lưu thông hàng hóa và tiêu thoát nước lũ.

Kiên Giang không chỉ nổi bật với các sông chính như sông Cái Lớn, sông Cái Bé và sông Giang Thành, mà còn sở hữu mạng lưới kênh rạch dày đặc với tổng chiều dài khoảng 2.054km Đặc điểm địa hình này, kết hợp với chế độ thủy triều biển Tây, ảnh hưởng lớn đến khả năng tiêu úng trong mùa mưa và sự xâm nhập mặn trong những tháng khô hạn.

Hệ thống sông và kênh rạch tỉnh Kiên Giang kéo dài hơn 2000 km, bao gồm các sông lớn như sông Giang Thành, sông Cái Lớn, và sông Cái Bé, có vai trò quan trọng trong việc tiêu thoát nước và chống lũ từ nội đồng ra biển Tây Ngoài các sông tự nhiên, khu vực này còn có mạng lưới kênh đào dày đặc, đặc biệt là ở vùng Tứ giác Long Xuyên với các kênh như Vĩnh Tế, Tám Ngàn, và Tri Tôn, đều có hướng chảy Đông Bắc - Tây Nam từ sông Hậu Các kênh đào như KH1, Trâm Bầu, Thốt Nốt, và Ô Môn ở vùng Tây sông Hậu, cùng với hệ thống kênh Cán Gáo và Trèm Trẹm ở phía Tây Nam, đều bắt nguồn từ sông Hậu và kết thúc tại sông Cái Lớn - Cái Bé Những kênh đào này không chỉ cung cấp nước tưới tiêu mà còn đóng vai trò quan trọng trong giao thông cho khu vực.

Hình 1.1:Hiện trạng sông ngòi, Kênh Rạch tại tỉnh Kiên Giang

Nạo Vét Luồng Lạch, Sông

Hình 1.2:Công tác nạo vét tại tỉnh Kiên Giang

Tỉnh Kiên Giang đang đối mặt với vấn đề nạo vét và đảm bảo an toàn cho giao thông đường sông, cùng với việc mở rộng và bảo vệ các kênh rạch Hoạt động nạo vét hiện tại chủ yếu sử dụng công nghệ cũ, dẫn đến việc chất thải được vận chuyển tốn kém và không hiệu quả Đề tài này đề xuất giải pháp tận dụng công nghệ xử lý vật liệu nạo vét, kết hợp với khả năng gia cố và ổn định, nhằm biến chúng thành vật liệu xây dựng phục vụ nhu cầu địa phương và đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững, bảo vệ môi trường xã hội.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên toàn cầu, nghiên cứu về việc cải thiện sự ổn định cho vật liệu chứa chất vô cơ, sét và hạt vô cơ trong thời gian dài đã được thực hiện qua nhiều phương pháp Các biện pháp bao gồm giảm độ ẩm, trộn với các vật liệu khác, sử dụng chất phụ gia, xi măng và vôi để nâng cao khả năng ổn định Quá trình này cũng giúp chế tạo vật liệu có tỷ trọng nhẹ khi kết hợp với xi măng và các chất kết dính vô cơ.

Tác giả Murden (1987) đã đề xuất các giải pháp hiệu quả cho việc tái sử dụng bùn thải nạo vét thông qua việc kết hợp các phương pháp sử dụng chất kết dính vô cơ Phương pháp này giúp ổn định các thành phần hạt sét trong vật liệu thải, tạo ra vật liệu tái chế có thể ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau Khi được đóng rắn bằng hợp chất vô cơ, các thành phần trong bùn thải sẽ được ổn định, hình thành nên vật liệu xây dựng có cường độ thấp, phù hợp sử dụng trong các môi trường không yêu cầu cao về tính chất cơ lý.

Tác giả McGee (1988) đã nghiên cứu tính chất cơ lý của bùn thải nạo vét từ công trình cảng và đề xuất giải pháp ổn định để ứng dụng trong các công trình giao thông Các vật liệu nạo vét từ khu vực hàng hải được phân loại và đánh giá thành phần cấp hạt, sau đó phối trộn với ximăng theo phương pháp ướt để thay thế cho vật liệu san lấp Kết quả cho thấy khả năng ổn định của vật liệu bùn thải nạo vét sau khi phối trộn có tính chất tương đương với các vật liệu sử dụng trong công trình giao thông.

Tác giả Millrath (2003) và Lee L.T (2004) đã nghiên cứu và thực nghiệm giải pháp sử dụng bùn thải nạo vét, so sánh với vật liệu có hàm lượng hạt sét cao để kết hợp với chất kết dính ximăng trong sản xuất vật liệu bê tông có cường độ thấp Nghiên cứu chỉ ra rằng thành phần hạt sét có ảnh hưởng chính đến khả năng ổn định của vật liệu nạo vét, do đó, hàm lượng ximăng cần được điều chỉnh tùy thuộc vào thành phần sét.

Hình 1.3:Cấu trúc khoáng sét [8]

Bùn thải nạo vét được nghiên cứu về các thành phần hạt, cơ lý và nguồn gốc hình thành để đánh giá ảnh hưởng đến tính chất kỹ thuật khi thay thế vật liệu truyền thống Thành phần hạt của bùn thải nạo vét sẽ được phân loại và tái sử dụng phần cát để làm cốt liệu nhỏ trong phối trộn bê tông ximăng.

Hình 1.4:Phương pháp tái sử dụng bùn thải nạo vét [10]

Nghiên cứu của tác giả Maher A và cộng sự (2013) đã phát triển quy trình công nghệ tái sử dụng bùn thải nạo vét bằng cách sử dụng phần cát hạt mịn để thay thế các nguyên vật liệu có cấp hạt tương đương trong xây dựng Bùn thải nạo vét được phân loại theo cấp hạt, loại bỏ thành phần sét và tái sử dụng cát hạt mịn, sau đó phối trộn với cát hạt lớn để tạo thành cấp hạt cát mới.

Nghiên cứu của tác giả Maherzi và cộng sự (2014) đã chỉ ra rằng bùn thải nạo vét có nguồn gốc bồi lắng, khi được xử lý và kết hợp với vôi và ximăng, có thể sử dụng hiệu quả làm đường giao thông Thành phần bùn chứa hàm lượng sét lớn, không ổn định, nhưng khi phối trộn với chất kết dính từ vôi và ximăng, vật liệu này có thể được đóng rắn và đầm lèn để thay thế cho cát san lấp Các chỉ số CBR, tỷ trọng và khả năng ổn định của bùn thải nạo vét cho thấy giá trị tương đương với các vật liệu xây dựng truyền thống.

Việc xử lý bùn thải nạo vét bằng chất kết dính vô cơ như ximăng và vôi giúp ổn định tính chất của bùn, cho phép sử dụng làm vật liệu san lấp trong xây dựng và giao thông Đối với đất nạo vét ở khu vực đô thị có nhiều chất thải hữu cơ, cần xử lý nhiệt ở nhiệt độ 800-1000 độ C để tái sử dụng vật liệu, trong đó có phế thải và sét Tuy nhiên, thành phần hạt sét lớn trong vật liệu nạo vét gây khó khăn trong tái sử dụng do tính chất cơ lý không ổn định và độ bền thấp.

Hình 1.5: Sử dụng bùn thải gia cố nền đường với chất kết dính vô cơ

Nghiên cứu đã đánh giá thành phần và tính chất kỹ thuật của bùn thải nạo vét từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó cát mịn và hạt sét là hai thành phần chính Hạt sét chiếm tỷ lệ lớn, dẫn đến tính không ổn định và giảm độ bền của vật liệu Để cải thiện tình trạng này, việc sử dụng các chất kết dính vô cơ như ximăng và vôi có thể giúp ổn định hàm lượng sét trong bùn thải nạo vét.

1.2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, việc nạo vét và xử lý bùn thải từ các kênh rạch, sông và cảng được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau Các phương pháp chính bao gồm nạo vét bồi tích theo thiết kế kênh, đào đắp mũi đất và cải tạo các khu vực trên cạn Bên cạnh đó, nạo vét bồi tích cũng là một phần của công tác cải tạo tuyến, kết hợp với đào đắp mũi đất và cải tạo bờ Việc đào đắp đất trên cạn và nạo vét bùn cát còn được áp dụng để xây dựng kênh, đồng thời tạo ra luồng chạy tàu mới bằng cách sử dụng cát, phù sa và đất Những hoạt động này không chỉ cải thiện môi trường mà còn nâng cao hiệu quả giao thông đường thủy.

Sau khi nạo vét, vật liệu bùn sẽ được chuyển đến các khu vực chôn lấp, trong đó một số sẽ được xử lý bằng các phương pháp vật lý và sinh học.

GS Nguyễn Văn Phước và cộng sự (2009) đã tiến hành nghiên cứu đánh giá chất lượng bùn thải và phân loại các hình thức ô nhiễm đặc trưng Nghiên cứu này nhằm định hướng công nghệ và đề xuất quy trình xử lý phù hợp cho từng loại bùn thải công nghiệp Từ đó, nhóm nghiên cứu đã đề xuất quy trình công nghệ xử lý bùn tổng hợp, phù hợp với điều kiện thực tế của thành phố Hồ Chí Minh.

Nhóm tác giả gồm GS.TS Lâm Minh Triết và ThS Nguyễn Ngọc Thiệp cùng các cộng sự đã nghiên cứu xử lý bùn tại chỗ bằng phương pháp làm ráo nước và ổn định bằng vôi Bùn sau đó được tái sử dụng để sản xuất gạch xây dựng, chậu gốm và chén hứng mủ cao su Kết quả nghiên cứu cho thấy, với tỷ lệ pha trộn bùn thải và đất sét nhất định, chất lượng vật liệu sau khi kiểm nghiệm có tính chất vật lý tương tự như các loại vật liệu thông thường, cho phép ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ và quản lý môi trường đã tiến hành xử lý bùn cống rãnh và kênh rạch bằng phương pháp thủy lực, tách biệt các thành phần hữu cơ và vô cơ Bùn được đưa vào bồn hình trụ, nơi nước được bơm vào để chất vô cơ nặng lắng xuống đáy, trong khi chất hữu cơ nhẹ nổi lên và được hút ra ngoài Sau đó, chất vô cơ chiếm 70-93% được thu hồi để sản xuất vật liệu xây dựng như gạch tường và gạch lát vỉa hè Chất hữu cơ tiếp tục được xử lý bằng vi sinh vật tiết axit để loại bỏ kim loại nặng, sau đó bùn hữu cơ sạch được sử dụng để cải tạo đất nông nghiệp và trồng cây Các kim loại nặng sau đó được xử lý bằng cách tách riêng hoặc hóa rắn để chôn lấp an toàn.

Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Trung Thành, Bùi Việt Dũng và Phùng Văn Phách (2009) đã chỉ ra các đặc điểm của thành phần hạt, quá trình bồi lấp và tích tụ bùn trầm tích tại vùng Đồng Bằng sông Cửu Long Kết quả nghiên cứu cho thấy sự biến đổi về khối lượng trầm tích và nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tái sử dụng nguồn nguyên liệu này trong các hoạt động nạo vét.

Mục đích nghiên cứu

-Nghiên cứu và đánh giá khả năng tái sử dụng bùn thải nạo vét Kênhrạch về thành phần tính chất cơ lý và thành phần hạt

Nghiên cứu tập trung vào việc ổn định và kết hợp phế thải tro bay từ các nhà máy nhiệt điện tại Đồng Bằng Sông Cửu Long nhằm cải thiện tính chất cơ lý của bùn thải nạo vét Việc ứng dụng phương pháp này không chỉ giúp nâng cao chất lượng bùn mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ các nguồn thải.

Nghiên cứu và thực nghiệm các tính chất cơ lý của bùn thải nạo vét cho thấy khả năng sử dụng nó làm vữa xây dựng, nhằm thay thế một phần vật liệu truyền thống trong các công trình xây dựng Việc này không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải mà còn tối ưu hóa nguồn nguyên liệu, góp phần vào sự phát triển bền vững trong ngành xây dựng.

Ý nghĩa khoa học

-Đánh giá các tính chất và thành phần hạt, thành phần hóa của bùn thải nạo vét tại địa phương của Tỉnh Kiên Giang

Nghiên cứu khả năng đóng rắn của bùn thải nạo vét kết hợp với tro bay nhằm phát triển vật liệu xây dựng bền vững tại tỉnh Kiên Giang Việc sử dụng bùn thải nạo vét và tro bay không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra các sản phẩm xây dựng có tính năng vượt trội Kết quả nghiên cứu cho thấy sự kết hợp này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng vật liệu xây dựng địa phương.

-Nghiên cứu các tính chất cơ lý và ảnh hưởng của tro bay, các chất vô cơ chứa trong bùn thải nạo vét dùng làm vật liệu.

Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu khả năng tái sử dụng bùn thải nạo vét từ kênh rạch không chỉ giúp giảm chi phí xử lý mà còn tăng cường khả năng sử dụng vật liệu trong xây dựng Việc tái sử dụng bùn thải nạo vét sẽ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về vật liệu xây dựng tại tỉnh Kiên Giang, nơi mà nguồn vật liệu tự nhiên đang bị khai thác quá mức.

Nội dung của đề tài

-Chương 2: Cơ sở khoa học

-Chương 3: Nguyên liệu và phương pháp thực nghiệm -Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá

-Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài

CƠ SỞ KHOA HỌC

Cơ sở quá trình đóng rắn với chất kết dính ximăng – tro bay [19, 20, 21]

Hạt ximăng là hợp chất chủ yếu bao gồm Calcium Silicate (C3S), Calcium Silicate (C2S), Calcium Alumina (C3A) và Tetracalcium Alumino-Ferrite (C4AF) Các thành phần khoáng này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra độ bền cho sản phẩm ximăng.

Khi bắt đầu trộn nước, các hạt ximăng tiếp xúc với nước và xảy ra các phản ứng hóa học, trong đó phản ứng của C3A khởi đầu và tinh thể ettringit xuất hiện Khoảng cách giữa các hạt xi măng chứa dung dịch bão hòa SO4 2- và Ca 2+, dẫn đến sự hình thành thành phần monosunfat và làm chậm quá trình hydrat hóa Sau đó, phản ứng kết tinh của silicat và aluminat trong màng diễn ra, làm cho màng bị phá vỡ và hydrat hóa tiếp tục Quá trình này lặp lại nhiều lần, tạo ra các tinh thể hydrosilicat canxi và hydroaluminat canxi Khi nồng độ SO4 2- và Ca 2+ cao không còn đủ lớn để tạo thành ettringit, sự hình thành gel C-S-H diễn ra liên tục Các phản ứng hóa học chính liên quan đến các thành phần khoáng là rất quan trọng trong quá trình này.

2(3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

2(2CaO.SiO2)+ 4H2O → 3CaO.SiO2.3H2O + Ca(OH)2

Quá trình tạo cường độ của xi măng diễn ra thông qua các phản ứng hóa học, như phản ứng giữa 3CaO.Al2O3 và 3CaSO4.2H2O trong sự hiện diện của nước, tạo thành 3CaO.Al2O3.3CaSO4.28H2O Tương tự, phản ứng giữa 4CaO.Al2O3.Fe2O3 và nước cũng dẫn đến sự hình thành 3CaO.Al2O3.6H2O và CaO.Fe2O3.6H2O Những phản ứng này đóng vai trò quan trọng trong quá trình đóng rắn của đá xi măng, diễn ra qua nhiều giai đoạn chính.

Trong giai đoạn đầu, các hạt xi măng bắt đầu khuếch tán vào nước, dẫn đến sự tấn công mạnh mẽ của các phân tử nước lên bề mặt hạt xi măng Quá trình này kích thích sự hình thành của Ca(OH)2 và monosufat.

C3A.CaSO4.H2O (ettringit) trên bề mặt các hạt khoáng Giai đoạn kéo dài khoảng 10 phút và không tạo thành cấu trúc

Giai đoạn 2 của quá trình hydrat hóa cho thấy tốc độ phản ứng chậm lại do sự hình thành keo monosunfat, tạo lớp bao bọc xung quanh các hạt xi măng Trong giai đoạn này, độ dẻo của vữa giữ được sự ổn định.

Quá trình thủy hóa diễn ra liên tục, dẫn đến sự kết tinh của các tinh thể silicat và aluminat, gây phá hủy màng Khi nồng độ ion SO4 2- giảm xuống không đủ để hình thành ettringit, giai đoạn này kéo dài khoảng 2 giờ và sự xuất hiện của các gel C-S-H bắt đầu diễn ra.

Trong giai đoạn 3, nồng độ SO4 2- giảm xuống, làm mất khả năng tạo lớp keo giả bền và ettringit, dẫn đến sự gia tăng tốc độ phản ứng Gel C-S-H nhanh chóng hình thành và lấp đầy khoảng trống giữa các hạt xi măng, tạo ra đá xi măng Cường độ của đá, được đo bằng cường độ kháng nén, bắt đầu phát triển mạnh mẽ Giai đoạn này kéo dài trong 24 giờ và hầu hết các khoáng xi măng đã tham gia vào quá trình hydrat hóa.

Giai đoạn 4 diễn ra sau 24 giờ, khi tốc độ thủy hóa của các khoáng chất bắt đầu giảm dần Lúc này, cấu trúc của chúng bắt đầu ổn định, nhưng quá trình thủy hóa vẫn tiếp tục diễn ra với các khoáng chất còn lại.

Hình 2.1:Giản đồ kết hợp thành phần hóa giữa tro bay và ximăng

Khi trộn xi măng với nước, phản ứng thủy hóa các khoáng trong xi măng diễn ra, khiến hỗn hợp dần mất tính dẻo và trở nên cứng chắc, có khả năng chịu lực Thời gian ninh kết của xi măng được chia thành hai loại.

-Thời gian bắt đầu ninh kết: Là thời gian từ khi bắt đầu trộn nước đến trước khi vữa mất tính dẻo

Thời gian kết thúc ninh kết là khoảng thời gian từ khi trộn nước vào vữa cho đến khi vữa cứng lại và có khả năng chịu lực Trong quá trình này, thể tích của đá ximăng liên tục thay đổi, và nếu sự thay đổi này diễn ra quá lớn hoặc quá nhanh, sẽ dẫn đến hiện tượng rạn nứt trong công trình Nguyên nhân chính gây ra sự không ổn định thể tích của ximăng là do oxit CaO và oxit MgO Thêm vào đó, các thành phần vật liệu phối hợp với hạt ximăng cũng ảnh hưởng đến độ ổn định, làm thay đổi tốc độ thủy hóa và sự hình thành các sản phẩm gel C-S-H, aluminat, gây ra sự mất ổn định thể tích khi công trình ổn định.

Thành phần CaO và Ca(OH)2 trong sản phẩm đóng rắn của ximăng ảnh hưởng đến sự ổn định cường độ và thể tích Các phụ gia hoạt tính, như oxit silic (SiO2) và oxit nhôm (Al2O3), phản ứng với CaO và Ca(OH)2 trong bê tông để tạo ra các sản phẩm kết dính, từ đó gia cường tính ổn định cho vật liệu ximăng Tro bay, một loại phế thải công nghiệp nhiệt điện, chứa các oxit hoạt tính có khả năng tương tác với ximăng trong quá trình đóng rắn, dẫn đến các phản ứng hóa học có lợi cho chất lượng bê tông.

SiO2+ Ca(OH)2+ H2O → CaO -SiO2-H2O Đối với thành phần Aluminate, xảy ra phản ứng

Al2O3+ Ca(OH)2+ H2O → CaO -Al2O3-H2O Đối với thành phần Ferro Aluminate, xảy ra phản ứng

Phản ứng giữa Fe2O3, Al2O3, Ca(OH)2 và H2O tạo ra sản phẩm CaO-SiO2-H2O, trong đó pha C-S-H đóng vai trò quan trọng như một chất kết dính trong vật liệu Sự tương tác của oxit silic (SiO2) và oxit nhôm (Al2O3) có trong tro bay giúp giảm lượng Ca(OH)2 hòa tan trong ximăng, đồng thời hình thành gel C-S-H với khả năng rắn chắc và độ ổn định cao hơn.

Cơ sở quá trình đóng rắn chất kết dính ximăng - tro bay và bùn thải

Các chất kết dính ximăng – tro bay được sử dụng trong xây dựng hiện nay có thành phần hóa học và khoáng ổn định, mang lại tính chất cơ lý tốt Chúng có nhiệm vụ gắn kết các nguyên vật liệu, đồng thời phản ứng với các hạt sét trong quá trình hydrat hóa, tạo ra liên kết bề mặt vững chắc Quá trình hydrat hóa này cũng hình thành các khoáng mới bao bọc hạt sét, nâng cao tính ổn định của vữa bùn thải nạo vét, giúp nó không bị tả ra khi gặp nước và không co ngót khi khô, khác với vật liệu bùn thải thông thường.

Trong quá trình làm việc của hệ nguyên vật liệu trong vữa bùn thải nạo vét, hai vấn đề chính được quan tâm là các phản ứng hóa học tiêu biểu Đầu tiên là các phản ứng cơ bản trong quá trình hydrat hóa của xi măng Thứ hai là các phản ứng giữa các khoáng sét và vôi tự do từ quá trình hydrat hóa.

Hình 2.2:Phản ứng giữa các thành phần Ca(OH)2 và hạt sét[24]

Hình 2.3:Đóng rắn của hệ cốt liệu Cát – Ximăng – Nước

Việc làm ổn định bùn thải nạo vét là quá trình biến đổi tính chất của bùn thải thông qua việc thay đổi bề mặt chung giữa bùn thải, nước và không khí Mục tiêu chính của quá trình này là giảm thể tích lỗ rỗng và tăng cường sự dính kết giữa các hạt Trong quá trình này, các sản phẩm hydrat hóa từ ximăng bao bọc các hạt sét, tạo liên kết và giảm thể tích lỗ rỗng giữa chúng Những sản phẩm hydrat hóa có cường độ cao, kết hợp với cường độ có sẵn của bùn thải, tạo ra vữa bùn thải với cường độ đủ đáp ứng yêu cầu cho một số vật liệu xây dựng Đồng thời, các sản phẩm hydrat cũng tạo lớp màng ngăn cách, hạn chế nước xâm nhập vào khoáng sét, giúp duy trì tính ổn định của vữa bùn thải.

Khi nước lỗ rỗng của bùn thải nạo vét chứa hạt sét tiếp xúc với ximăng, quá trình thủy hóa ximăng diễn ra nhanh chóng, tạo ra các khoáng sản chính yếu như C-S-H và Ca(OH)2 Các sản phẩm hydrate này đóng vai trò là những chất kết dính ximăng, đồng thời thủy hóa vôi được sử dụng như các pha trong quá trình xây dựng.

Trong quá trình hóa cứng, 19 tinh thể rắn riêng biệt kết hợp với các hạt ximăng, tạo thành hỗn hợp bộ khung bao quanh các hạt sét và cát trong bùn thải Một phần của pha Ca(OH)2 có thể kết hợp với các hydrate khác, trong khi thủy hóa ximăng làm tăng độ pH của nước lỗ rỗng, dẫn đến sự phân li của vôi Hydrate Các bazơ mạnh hòa tan Silicate và Aluminate từ khoáng vật sét và các chất vô cơ, tương tự như phản ứng giữa axít yếu và bazơ mạnh Silica và Alumina ngậm nước sẽ phản ứng với các ion Calcium tự do từ sự thủy phân ximăng, tạo thành hợp chất không hòa tan qua phản ứng pozzolan, giúp hóa cứng bùn thải nạo vét.

Sự tương tác giữa ximăng và bùn thải nạo vét sét là yếu tố quan trọng để tạo ra trạng thái ổn định cho vữa bùn thải nạo vét Bùn thải sét tồn tại ở hai trạng thái: khô và ngậm nước Khi ngậm nước, bùn thải thể hiện tính dẻo và dính cao, trong khi ở trạng thái khô, nó cứng và có cường độ, gọi là cường độ mộc Tuy nhiên, khi tiếp xúc với nước, bùn thải mất đi cường độ và trở lại tính dẻo Do đó, mục tiêu cải thiện tính chất của bùn thải nạo vét là tận dụng tính dính và dẻo để tạo tính công tác cho vữa, đồng thời nâng cao và ổn định cường độ mộc của vật liệu khi đóng rắn, giúp nó không bị tả ra khi tiếp xúc với nước.

Cơ sở quá trình xử lý nhiệt bùn thải: [26]

Đốt chất thải là quá trình xử lý chất thải thông qua việc đốt cháy các chất hữu cơ, chuyển đổi chúng thành tro, khí thải và nhiệt Quá trình này, được gọi là xử lý nhiệt, tạo ra tro chủ yếu từ thành phần vô cơ của chất thải Trước khi khí thải được thải ra môi trường, chúng phải được làm sạch khỏi các chất ô nhiễm Nhiệt độ cao trong quá trình đốt giúp phá vỡ các liên kết hóa học của các thành phần độc hại, giảm thiểu hoặc loại bỏ độc tính Quy trình bắt đầu với việc sấy và bốc hơi nước, sau đó diễn ra khí hóa và cháy các chất thải, với các phản ứng cháy liên quan đến cacbon, hydro, lưu huỳnh và nitơ.

Cát Bùn nạo vét Xi măng Nước Tro bay

Bùn nạo vét Hydrat hóa

Trao đổi ION Thay đổi pH

Hydrat Hóa Phản ứng pozzolane

Phương trình cháy hoàn toàn cacbon, khi cung cấp đủ ôxy:

Phương trình cháy không hoàn toàn cacbon, khi thiếu ôxy:

Phương trình cháy lưu huỳnh:

Tổng hợp lại ta có phương trình cháy chất thải rắn như sau:

Bùn thải + O2→ CO + CO2 + H2O + SOx + NOx + HCl + HF + sản phẩm vô cơ

Hình 2.5:Qui trình xử lý nhiệt

Phễu nạp bùn nạo vét

Thiết bị làm nguội khí

Bộ phận trao đổi nhiệt

Bùn thải nạo vét chứa các thành phần vô cơ và hữu cơ, đặc biệt là hạt sét Đất sét là một hệ đa khoáng, và khi được gia nhiệt, nó trải qua nhiều quá trình hóa lý phức tạp Sự tác động của nhiệt độ dẫn đến các hiện tượng chính diễn ra trong bùn thải.

- Biến đổi thể tích kèm theo mất nước lý học

Biến đổi thành phần khoáng bao gồm các quá trình như mất nước hóa học, thay đổi cấu trúc tinh thể và biến đổi thù hình Những biến đổi này có thể diễn ra ở nhiệt độ cao, ảnh hưởng đến tính chất và cấu trúc của khoáng vật.

-Nhiệt độ thường đến 130 0 C: Nước trong thành phần bùn chứa sét bay hơi và bùn chứa sét có hiện tượng bị co lại

Nhiệt độ từ 200 đến 450 độ C dẫn đến sự bay hơi của nước hấp phụ, đồng thời gây ra hiện tượng cháy các chất hữu cơ theo phương trình tổng hợp chất thải rắn Bùn chứa hạt sét bị co lại đáng kể, kèm theo sự biến đổi của thành phần Fe2O3 trong khoáng sét thành FeO, tạo ra một môi trường khử.

Khi nhiệt độ đạt từ 500 đến 550 độ C, nước hóa học trong khoáng sét sẽ bị bay hơi, dẫn đến sự chuyển đổi của khoáng kaolinit thành metakaolinit (Al2O3.2SiO2) Quá trình này làm cho bùn chứa khoáng sét mất đi tính dẻo.

Quá trình hóa lý của bùn thải nạo vét chứa khoáng sét khi được xử lý nhiệt phụ thuộc vào qui trình gia nhiệt trong lò đốt, bao gồm các bước quan trọng.

Giai đoạn đầu của quá trình gia nhiệt đặc trưng bởi sự đốt nóng nhanh chóng bùn thải nạo vét, bao gồm khoáng sét, tạp chất hữu cơ và độ ẩm cao Quá trình này diễn ra từ nhiệt độ ban đầu cho đến khi đạt nhiệt độ của chất tải nhiệt đã bão hoà, tương ứng với hàm ẩm đã được xác định trước.

Giai đoạn thứ hai của quá trình gia nhiệt được đặc trưng bởi việc duy trì nhiệt độ cần thiết, trong đó diễn ra quá trình đốt cháy chất hữu cơ, phân hủy tạp chất và bốc hơi nước có trong bùn thải nạo vét, nhằm tạo ra bán thành phẩm.

Giai đoạn ba của quá trình gia nhiệt đặc trưng bởi sự giảm tốc độ gia nhiệt và sự gia tăng nhiệt độ của bán thành phẩm Trong giai đoạn này, quá trình gia nhiệt diễn ra giảm dần, dẫn đến việc bùn thải nạo vét tạo thành bán thành phẩm với thành phần bao gồm tro từ tạp chất hữu cơ, khoáng sét đã mất nước và các thành phần vô cơ khác.

NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Nguyên vật liệu

Nghiên cứu chất lượng bùn thải nạo vét tại Kiên Giang và Cà Mau nhằm xác định sự hiện diện của các chất độc hại, như kim loại nặng, là rất cần thiết Nếu phát hiện nồng độ vượt mức cho phép theo tiêu chuẩn quốc gia, cần lập kế hoạch xử lý đặc biệt và giám sát Kế hoạch này cũng phải bảo vệ cư dân trong khu vực sử dụng bùn thải cho xây dựng và làm vườn Các mẫu bùn sẽ được phân tích ô nhiễm theo tiêu chuẩn Việt Nam.

Để xử lý bùn thải nạo vét, cần xác định các vùng đất phù hợp như bãi chôn lấp hoặc đất có khả năng tiếp nhận bùn với mức độ rủi ro tương ứng Các loại đất có thể sử dụng bao gồm đất công cộng, đất xây dựng đường giao thông nông thôn, công trình công cộng khác, hoặc đất tư nhân, với sự đồng ý của các chủ đất liên quan Trong trường hợp bùn có mức độ ô nhiễm cao, việc xử lý cần được thực hiện tại các bãi chôn lấp vệ sinh để đảm bảo an toàn môi trường.

- Chuẩn bị kế hoạch nạo vét và vận tải Các thủ tục nạo vét và kế hoạch vận chuyển sẽ chuẩn bị như sau:

-Các phương pháp nạo vét, phương thức vận tải tới khu vực xử lý hoặc lưu trữ tạm thời tại chỗ

-Thời gian thực hiện để đảm bảo an toàn và vệ sinh khu vực nạo vét

-Phương pháp vận chuyển để giảm sự rò rỉ của bùn thải nạo vét từ thiết bị vận chuyển

- Lưu trữ và xử lý để không bị ô nhiễm trầm tích/bùn Bùn thải nạo vét ở trong tình trạng giống như bùn trước khi xử lý cho 24 - 48 giờ

Bùn thải nạo vét dùng trong thực nghiệm được lấy ở khu vực tỉnh Kiên giang và

Cà Mau, bùn thải nạo vét có hàm lượng nước cao cần được phơi khô để làm phong hóa các thành phần hữu cơ và khí độc hại Sau quá trình này, bùn sẽ được thiêu đốt trong lò quay ở nhiệt độ 350 độ C.

Bùn được đốt ở nhiệt độ 400 độ C trong 5 giờ để loại bỏ chất hữu cơ và tạp chất, sau đó bùn khô được nghiền nhỏ bằng máy nghiền bi Bùn thải nạo vét sau khi xử lý được thí nghiệm để xác định hàm lượng sét và phân loại thành 4 nhóm khác nhau Thành phần cơ lý của đất sau khi xử lý được trình bày chi tiết trong Hình 3.2 và Bảng 3.1.

Bảng 3.1:Thành phần cơ lý của bùn thải nạo vét

Chỉ tiêu Nhóm 1 Nhóm 2 Nhóm 3 Nhóm 4

Hình 3.1:Qui trình gia nhiệt bùn thải nạo vét

Giai đoạn nâng nhiệtGiai đoạn giữ nhiệt đốt cháy ở 400CGiai đoạn hạ nhiệt

Hình 3.2:Bùn sau khi thiêu đốt sẽ được nghiền nhỏ bằng máy nghiền bi khô

Hình 3.3 thể hiện hình dạng của bùn thải nạo vét sau khi được xử lý nhiệt và nghiền mịn, được phân tích bằng phương pháp SEM (Kính hiển vi điện tử quét) Kết quả phân tích cho thấy thành phần hạt sét trong 4 nhóm mẫu bùn thải nạo vét dao động từ 56.3% đến 79.5% Dựa trên kết quả này, nghiên cứu đã lựa chọn bùn thải nạo vét thuộc nhóm 1 và nhóm 2 để tiến hành thực nghiệm.

Chất kết dính sử dụng là ximăng PC40, tính chất cơ lý của ximăng được trình bày trong bảng 3.2

Bảng 3.2:Chỉ tiêu cơ lý của ximăng

Chỉ tiêu cơ lý Đơn vị Giá trị

Khối lượng riêng g/cm 3 3,08 Độ mịn Blaine cm 2 /g 3760

Khối lượng tự nhiên kg/cm 3 1250

Tro bayđượcsửdụngtại Formusa có thành phầnhạt có khốilượng riêng 2,5 g/cm 3 và khốilượngthể tích 1.43 g/cm 3 Các tính chất hóa học và vật lý của tro bay trình bày trong bảng 3.3

Bảng 3.3:Thành phần hóa học của tro bay

Thành phần hoá học SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O MgO SO3 MKN

Vôi có thành phần hóa học với tổng hàm lượng CaO vượt quá 90%, trong đó hàm lượng CaO tự do (hoạt tính) đạt trên 75% Thời gian tôi vôi dao động từ 8 đến 15 phút, với nhiệt độ tôi trong khoảng từ 85°C trở lên.

95 0 C và hàm lượng vôi không tôi nhỏ hơn 10%

Cát sử dụng trong cấp phối vữa là cát sông với modun độ lớn 1.82, khối lượng riêng 2.62 g/cm³ và khối lượng thể tích 1540 kg/m³ Cát này được kết hợp với bùn thải nạo vét để tạo thành hỗn hợp vữa chất lượng.

Phương pháp thực nghiệm và thành phần cấp phối

Xác định mẫu và tiến hành lấy mẫu thử nghiệm là bước quan trọng trong quá trình tạo mẫu thí nghiệm Các nguyên liệu bùn thải nạo vét đã được xử lý nhiệt sẽ được sử dụng cho thí nghiệm này Qui trình thực nghiệm được minh họa rõ ràng trong Hình 3.4.

Hình 3.4:Sơ đồ thực nghiệm

Nghiên cứu thành phần cấp phối khảo sát khả năng kết hợp giữa tro bay và ximăng, vôi được thực hiện với hàm lượng tro bay lần lượt là 10, 20, 30 và 40% theo khối lượng, nhằm thay thế cho ximăng và vôi để tạo thành chất kết dính hỗn hợp Tỷ lệ chất kết dính hỗn hợp so với cốt liệu được thiết lập là 1-1, 1-2 và 1-3 theo khối lượng Thông tin chi tiết về thành phần cấp phối thực nghiệm chất kết dính hỗn hợp được trình bày trong bảng 3.4.

(1) Bùn nạo vét được xử lý nhiệt

(2) thử nghiệm tính chất bùn nạo vét

(3) Vật liệu và tỉ lệ pha trộn

(5) xác định tính công tác và tạo hình mẫu

(7) Thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý

Bảng 3.4:Thành phần cấp phối của tro bay kết hợp ximăng và vôi

Cấp phối Ximăng (%) Tro Bay (%) Cấp phối Vôi (%) Tro Bay (%)

X: Cấp phối ximăng, V: cấp phối vôi

XTBi: Cấp phối ximăng – tro bay với hàm lượng i = 10, 20, 30 và 40%

VTBi: Cấp phối vôi – tro bay với hàm lượng i = 10, 20, 30 và 40%

Hỗn hợp nguyên liệu bao gồm bùn thải nạo vét đã được xử lý và nghiền mịn, cùng với cát được định lượng, được nhào trộn trong 1 phút để tạo thành hỗn hợp khô với tỷ lệ cát từ 0 đến 100% theo khối lượng Sau đó, hỗn hợp cốt liệu tiếp tục được trộn khô với chất kết dính theo các tỷ lệ 1-1, 1-2 và 1-3 Hỗn hợp vữa khô này sau đó được nhào trộn với nước theo tiêu chuẩn TCVN 3121:2003 để tạo thành hỗn hợp vữa tươi, nhằm xác định các tính chất như độ linh động, thời gian ninh kết và co ngót Tỷ lệ nước sử dụng cho hỗn hợp vữa khô là 20% theo khối lượng, với thành phần cấp phối được trình bày trong bảng 3.5.

Bảng 3.5:Thành phần cấp phối vữa sử dụng bùn thải nạo vét

Tỷ lệ Bùn thải thay thế

Chất Sét kết dính cát Bùn thải nạo vét

Tỷ lệ Bùn thải thay thế

Chất Sét kết dính cát Bùn thải nạo vét

X-CL: Tỷ lệ Ximăng – Cốt liệu

C1Di: Cấp phối nhóm bùn thải nạo vét 1, tỷ lệ Ximăng – cốt liệu là 1-1, hàm lượng bùn thải nạo vét sử dụng thay thế cát 10x i (%)

C2Di: Cấp phối nhóm bùn thải nạo vét 1, tỷ lệ Ximăng – cốt liệu là 1-2, hàm lượng bùn thải nạo vét sử dụng thay thế cát 10 x i (%)

C3Di: Cấp phối nhóm bùn thải nạo vét 1, tỷ lệ Ximăng – cốt liệu là 1-3, hàm lượng bùn thải nạo vét sử dụng thay thế cát 10 x i (%)

M1Dj: Cấp phối nhóm bùn thải nạo vét 2, tỷ lệ Ximăng – cốt liệu là 1-1, hàm lượng bùn thải nạo vét sử dụng thay thế cát 10 x j (%)

M2Dj: Cấp phối nhóm bùn thải nạo vét 2, tỷ lệ Ximăng – cốt liệu là 1-2, hàm lượng bùn thải nạo vét sử dụng thay thế cát 10 x j (%)

M3Dj: Cấp phối nhóm bùn thải nạo vét 3, tỷ lệ Ximăng – cốt liệu là 1-3, hàm lượng bùn thải nạo vét sử dụng thay thế cát 10 x j (%)

Phương pháp xác định độ linh động

Độ linh động của vữa đất được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 3121-3: 2003 Trước khi thử, cần lau sạch mặt tấm kính, côn và chày bằng vải ẩm Đặt khâu hình côn vào giữa bàn dằn và cho khoảng 1 lít mẫu vữa tươi chuẩn bị theo TCVN 3121 – 2: 2003 vào khâu, chia thành hai lớp, mỗi lớp đầm khoảng 10 cái để đảm bảo vữa đầy kín và chắc chắn Khi đầm, giữ chặt khâu trên bàn dằn và dùng dao gạt phẳng vữa thừa Sau đó, lau sạch nước và vữa trên mặt kính xung quanh khâu Nhấc khâu lên theo phương thẳng đứng và cho máy dằn 15 cái trong vòng 15 giây Cuối cùng, dùng thước kẹp đo đường kính đáy của khối vữa chảy theo 2 chiều vuông góc, chính xác tới 1mm, và kết quả thử là trung bình cộng của 2 kết quả đo.

Kết quả tính toán độ linh động của vữa: Đường kính chảy xòe: = 𝑙1+𝑙2

2 (mm) Với: l1, l2: Đường kính đáy khối vữa theo 2 chiều vuông góc (mm)

Hình 3.5:Xác định độ linh động của vữa

Phương pháp xác định thời gian bắt đầu ninh kết

Theo TCVN 3121-9:2003, thời gian bắt đầu ninh kết được xác định dựa trên thực nghiệm với khoảng 1 lít mẫu vữa theo TCVN 3121-2:2003 Để thực hiện, cần đổ vữa bùn thải nạo vét đầy hơn miệng khâu và sử dụng chày đầm khoảng 10 lần để đảm bảo vữa được lấp kín trong khâu.

Đặt khâu chứa mẫu dưới kim, đảm bảo mặt vữa cách kim khoảng 20mm Hạ kim từ từ cho đến khi chạm bề mặt vữa và giữ ở vị trí này trong 1-2 giây để kim ổn định Sau đó, ấn kim xuống mẫu cho đến khi vòng đệm của kim chạm vào bề mặt mẫu.

- Thực nghiệm tiến hành giữa các lần đâm xuyên là 15 phút – 30 phút, sau đó bảo quản mẫu ở nhiệt độ 27 0 C ± 2 0 C và độ ẩm 95 % ± 5% trong túi nilon bọc kín

Trong quá trình thực nghiệm, lực đâm xuyên được xác định thông qua việc ghi lại giá trị chỉ thị trên đồng hồ của cân Các mẫu được thử nghiệm cho đến khi cường độ đâm xuyên đạt 0,5 N/mm².

-Thời gian bắt đầu ninh kết = T0.5 – Tnhào trộn

-T0.5: Thời gian vữa đạt cường độ đâm xuyên 0.5 N/mm 2 -Tnhào trộn: thời gian hỗn hợp vữa bắt đầu nhào trộn với nước

Hình 3.6:Thiết bị xác định thời gian bắt đầu ninh kết của vữa

Phương pháp xác định co ngót khô

Độ co ngót khô của vữa được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C596-96 Mẫu thử được chế tạo từ vữa tươi, bao gồm bùn thải nạo vét, ximăng và tro bay, và được đổ vào khuôn thép có kích thước 254x25.4x25.4 mm Chiều dài ban đầu của mẫu được đo ngay sau khi tạo hình, sau đó được bảo dưỡng trong điều kiện phòng Mẫu sẽ được đo chiều dài tại các thời điểm khác nhau để xác định độ co ngót khô theo thời gian, và độ co ngót được tính toán theo công thức cụ thể.

Với lo: Chiều dài ban đầu (mm) li: Chiều dài tại thời gian i (mm)

Phương pháp xác định độ bám dính

Độ bám dính của vữa bùn thải nạo vét được xác địnhtheo TCVN 3121-12: 2003 Chuẩn bị tấm nền liên kết với kích thước không nhỏ hơn: 550 mm x 150 mm x 50 mm

Bê tông tấm nền với tỷ lệ nước/ximăng 0,55 sử dụng cốt liệu thông thường, trong đó đường kính hạt cốt liệu lớn nhất không vượt quá 1/3 chiều cao tấm nền Bề mặt tấm nền được làm phẳng bằng bay gỗ và được chải thường xuyên Để đảm bảo chất lượng, tấm nền cần được bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn ít nhất 28 ngày.

Lấy khoảng 12 lít mẫu theo TCVN 3121 – 2: 2003, trộn đều trong 10-20 giây và láng một lớp vữa dày 10 mm ± 1 mm lên tấm nền liên kết Trước khi láng vữa, tấm nền cần được để khô tự nhiên Sau khi mẫu bắt đầu đông kết, quá trình thi công sẽ tiếp tục.

Để thực hiện thử nghiệm lực bám dính, đầu tiên xoay nhẹ và ấn vòng hình nón đã được làm sạch dầu xuống lớp vữa cho đến khi tiếp xúc hoàn toàn với nền Sau đó, nhẹ nhàng nhấc vòng hình nón lên khỏi lớp vữa, tạo ra mẫu nõn khoan hình trụ Khoảng cách giữa các mẫu thử trên tấm nền và từ mẫu tới mép tấm nền phải không nhỏ hơn 50 mm Những mẫu thử bị bong hoặc sứt trong quá trình chuẩn bị sẽ bị loại bỏ và cần làm lại các mẫu khác Cuối cùng, mẫu thử cần được bảo dưỡng trong 7 ngày trong túi nilon kín và 21 ngày ở độ ẩm 70% ± 10% và nhiệt độ 27°C.

Khi mẫu đã đủ tuổi thử, sử dụng nhựa epoxy để gắn đầu kéo vào mẫu Đảm bảo nhựa phủ đều trên toàn bộ diện tích mẫu và đầu kéo, tránh để nhựa dính ra ngoài khu vực thử nghiệm Sau khi nhựa epoxy đã đóng rắn, lắp tấm nền liên kết có mẫu thử vào máy ở vị trí chính xác Tiếp theo, kết nối các móc trên đầu kéo với máy thử Áp dụng lực kéo thẳng góc với mẫu thử, với tốc độ tăng tải 0,05 N/mm².s nếu cường độ bám dính dự kiến nhỏ hơn 1 N/mm², cho đến khi mẫu bị kéo đứt Ghi lại lực kéo đứt lớn nhất.

Hình 3.8:Thiết bị xác định lực bám dính

Lực bám dính được tính theo công thức

Với Pbd: Lực bám dính khi kéo đứt mẫu, N

A: Diện tích bám dính chịu kéo của mẫu, A = 1950 mm 2

Phương pháp xác định cường độ nén

Mẫu được nhào trộn và cho vào khuôn tạo hình theo TCVN 3121-11: 2003 làm

Hai lớp mẫu, mỗi lớp gồm 25 cái, được làm bằng mặt khuôn và đặt tấm kính lên trên Sau đó, mẫu được dưỡng hộ trong khuôn trong 48 giờ ở điều kiện nhiệt độ và độ ẩm phòng Sau khi tháo mẫu ra khỏi khuôn, chúng được dưỡng hộ trong môi trường có nhiệt độ từ 25-29 độ C và độ ẩm lớn hơn 90% Thí nghiệm xác định cường độ được thực hiện theo TCVN 9403: 2012 với mẫu hình trụ tròn có kích thước 50x100 mm.

Hình 3.9:Mẫu dùng để xác định cường độ nén

Mẫu được mang đi xác định cường độ nén ở tuổi 28 ngày.Cường độ nén của mẫu được xác định theo công thức

Với P: Lực nén phá hủy mẫu, N

A: Diện tích mẫu nén, mm 2

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Ảnh hưởng của tro bay đến khả năng làm việc và đóng rắn của ximăng, vôi

hỗn hợp cát - ximăng, vôi

Tro bay được kết hợp với ximăng và vôi nhằm kiểm tra khả năng tương tác của các thành phần hoạt tính trong tro bay với môi trường Ca(OH)2 và CaO-SiO2-H2O Kết quả của thí nghiệm được trình bày chi tiết trong bảng 4.1.

Bảng 4.1:Độ linh động và cường độ của vữacát- tro bay kết hợp ximăng, vôi

Tỷ lệ Cấp phối Độ linh động (%)

Cấp phối Độ linh động (%)

Hình 4.1:Ảnh hưởng của tro bay đến độ linh động của vữa ximăng

Nghiên cứu về ảnh hưởng của tro bay trong ximăng cho thấy việc thay thế từ 10 đến 40% hàm lượng tro bay không làm thay đổi đáng kể độ linh động của vữa ximăng Cụ thể, vữa ximăng - tro bay đạt khoảng 7% đối với tỷ lệ ximăng – cốt liệu 1-1, và khoảng 4% với tỷ lệ ximăng – cốt liệu 1-2 và 1-3.

Hình 4.2:Ảnh hưởng của tro bay đến độ linh động của vữa vôi

Tro bay ảnh hưởng đáng kể đến độ linh động của vữa vôi, với mức thay thế từ 10 đến 40% vôi, độ linh động có thể tăng từ 12 đến 15% Hàm lượng vôi càng cao trong cấp phối thì sự thay đổi độ linh động khi thay thế tro bay càng rõ rệt Điều này cho thấy tro bay có tác động lớn hơn đến khả năng làm việc của vữa vôi so với vữa ximăng Nguyên nhân là do khi vôi tiếp xúc với nước, quá trình đóng rắn diễn ra kèm theo sinh nhiệt, làm nước dễ bị bốc hơi Hơn nữa, các hạt vôi tạo ra tính dính cho vữa, nên khi thay thế bằng tro bay, tính dính giảm và khả năng linh động tăng lên.

Hình 4.3:Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ của vữa ximăng

Sự kết hợp giữa vữa vôi và ximăng với tro bay ảnh hưởng đến cường độ phát triển của chúng Cường độ vữa ximăng có thể đạt từ 30 đến 45 N/mm² khi tỷ lệ ximăng – cốt liệu thay đổi từ 1-1 đến 1-3 Tuy nhiên, khi hàm lượng tro bay đạt 30%, cường độ vữa ximăng giảm khoảng 8-10%, và giảm nhanh đến 15% khi hàm lượng tro bay tăng lên 40% Điều này cho thấy các hạt tro bay có khả năng kết hợp với Ca(OH)2 trong quá trình hydrat của ximăng, ảnh hưởng đến cường độ cuối cùng của vữa.

Sau 28 ngày, không thấy sự gia tăng cường độ của quá trình pozzolan Khi hàm lượng tro bay vượt quá 40%, quá trình đóng rắn bị giảm rõ rệt do giảm sản phẩm đóng rắn của ximăng Tương tự, khi tỷ lệ ximăng – cốt liệu thay đổi, quy luật này cũng diễn ra.

Hàm lư ợng tro bay (%)

Hình 4.4:Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ của vữa vôi

Cường độ vữa vôi – tro bay giảm dần khi hàm lượng tro bay tăng Sử dụng hàm lượng vôi cao trong cấp phối vôi – tro bay (VTB) sẽ làm cường độ giảm nhanh hơn khi thay thế bằng tro bay.

Hình 4.5 cho thấy sự phát triển cường độ của vữa vôi khi thay đổi tỷ lệ vôi – cốt liệu, với cường độ đạt từ 5 – 12 N/mm² Khi tro bay thay thế vôi, cường độ vữa vôi giảm rõ rệt, cụ thể là giảm 30% với 40% tro bay ở tỷ lệ 1-3 và giảm đến 50% ở tỷ lệ 1-1 Điều này chỉ ra rằng thành phần hoạt tính trong tro bay kết hợp chậm với Ca(OH)2 trong vôi, dẫn đến sự suy giảm cường độ nhanh chóng khi hàm lượng vôi giảm Đánh giá khả năng đóng rắn, vữa ximăng - tro bay cho cường độ cao gấp 3.5 – 4 lần so với vữa vôi - tro bay.

Ximang - tro bayVôi - tro bay

Hình 4.6:Cấu trúcsản phẩm đóng rắn của vữa ximăng – tro bay

Hình 4.7:Cấu trúc sản phẩm đóng rắn của vữa vôi – tro bay

Phân tích cấu trúc bằng phương pháp SEM cho thấy sự phát triển dày đặc của các sản phẩm đóng rắn C-S-H trong đá ximăng vượt trội hơn so với bề mặt vữa vôi, nơi mà sản phẩm đóng rắn phân bố rời rạc Hình 4.6 và 4.7 minh họa rõ sự khác biệt này.

Nghiên cứu cho thấy, khi kết hợp tro bay với vôi, độ linh động của hỗn hợp tăng lên nhưng cường độ lại giảm đáng kể Mặc dù tro bay làm giảm cường độ của vữa ximăng, nhưng với tỷ lệ 30%, sự suy giảm này không quá lớn Vì vậy, nghiên cứu đã áp dụng tỷ lệ tro bay 30% làm chất kết dính hỗn hợp, kết hợp với bùn thải nạo vét để sử dụng làm vật liệu xây dựng.

4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng bùn thải nạo vét và chất kết dính đến khả năng linh động của vữa

Thành phần vữa đất kết hợp với bùn thải nạo vét đã được xử lý được thực nghiệm để xác định độ linh động với các tỷ lệ cấp phối khác nhau Kết quả thực nghiệm được trình bày trong bảng 4.2.

Bảng 4.2:Ảnh hưởng bùn thải nạo vét đến độ linh động của vữa

Sét (%) Độ linh động (%) nhóm Cấp phối

Hình 4.8:Mối quan hệ giữa bùn thải nạo vét và độ linh động với tỷ lệximăng tro bay – cốt liệu là1-1

Kết quả thực nghiệm cho thấy, cấp phối ximăng tro bay và cát theo tỷ lệ 1-1 đạt tính linh động 160 mm, như thể hiện trong Hình 4.8 Khi hàm lượng đất trong cấp phối tăng dần, tính linh động của vữa có xu hướng giảm.

Độ linh động của vữa đất giảm dần, đạt khoảng 110 mm với cấp phối C1D10 Các cấp phối nhóm 2 cũng cho thấy sự giảm linh động, đạt khoảng 130 mm với cấp phối M1D10 So sánh giữa các nhóm cho thấy rằng khi tăng hàm lượng bùn thải nạo vét, vữa nhóm 2 có độ linh động tốt hơn so với vữa nhóm 1.

Hàm lượng bùn nạo vét(%)

Nhóm bùn thải 1 Nhóm bùn thải 2

Hàm lượng bùn nạo vét(%)

Nhóm bùn thải 1NHóm bùn thải 2

Hình 4.9:Mối quan hệ giữa bùn thải nạo vét và độ linh động với tỷ lệximăng tro bay – cốt liệu là1-2

Hình 4.10:Mối quan hệ giữa bùn thải nạo vét và độ linh động với tỷ lệ ximăng tro bay

Kết quả từ hình 4.9 và 4.10 cho thấy rằng khi tỷ lệ ximăng tro bay – cát là 1-2 và 1-3, độ linh động của vữa tăng dần, đạt hơn 180% Tuy nhiên, khi hàm lượng bùn thải nạo vét tăng, độ linh động của vữa lại giảm Đặc biệt, khi sử dụng hoàn toàn bùn thải nạo vét thay thế cho cát, độ linh động đạt từ 115-121% với tỷ lệ ximăng tro bay – cốt liệu 1-2 và từ 115-118% với tỷ lệ 1-3.

Sự thay đổi lớn về độ linh động của đất chủ yếu do hàm lượng hạt sét cao, giúp giữ nước tốt hơn Sự khác biệt giữa nhóm 1 và nhóm 2 xuất phát từ việc nhóm 1 có hàm lượng sét nhiều hơn, dẫn đến khả năng giữ nước cao hơn và giảm tính linh động Khi tỷ lệ ximăng tro bay giảm, hàm lượng bùn thải nạo vét tăng, kéo theo sự gia tăng lượng sét trong vữa.

Các cấp phối vữa C2D10 - M2D10 và C3D10 – M3D10 chỉ chênh lệch nhẹ cho nhóm bùn thải nạo vét 1 và nhóm bùn thải nạo vét 2 Thành phần hạt sét trong vữa đóng vai trò quan trọng trong khả năng giữ nước và độ linh động của vữa Việc sử dụng vữa với hàm lượng sét cao sẽ tạo ra sự khác biệt rõ rệt.

Hàm lượng bùn nạo vét(%)

Nhóm bùn thải 1Nhóm bùn thải 2

45 giữa các thành phần nhóm bùn thải 1 và 2 không đáng kể Điều này cũng sẽ tác động đến khả năng làm việc của vữa đất khi thi công

Hình 4.11:Mối quan hệ độ linh động và tỷ lệ thành phần cấp phối nhóm 1

Ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét và chất kết dính đến thời gian bắt đầu ninh kết của vữa 48

Thời gian ninh kết của bùn thải nạo vét, ximăng và tro bay là yếu tố quan trọng để đánh giá thời gian bắt đầu quá trình đóng rắn khi sử dụng làm vật liệu xây dựng Kết quả thực nghiệm được trình bày chi tiết trong Bảng 4.3.

Bảng 4.3:Mối quan hệ giữa hàm lượng hạt sét và thời gian bắt đầu ninh kết

Thời gian (phút) nhóm Cấp phối

Hình 4.14:Mối quan hệ thời gian bắt đầu ninh kết và sét khi tỷ lệ ximăng tro bay – cốt liệu là 1-1

Hàm lượng cát thay thế cốt liệu ảnh hưởng đến thời gian ban đầu ninh kết của vữa Cụ thể, vữa ximăng tro bay với tỷ lệ ximăng tro bay – cát là 1-1 có thời gian bắt đầu ninh kết khoảng 200 phút Khi hàm lượng cát giảm, thời gian ninh kết có xu hướng tăng, với cấp phối nhóm 1 đạt gần 350 phút và nhóm 2 đạt 300 phút, đặc biệt với các cấp phối sử dụng hoàn toàn bùn thải nạo vét đã xử lý như C1D2, C1D10 và M1D2, M1D10.

Thời gian Bắt đầu ninh kết (phút)

Nhóm bùn thải 1Nhóm bùn thải 2

Hình 4.15:Mối quan hệ thời gian bắt đầu ninh kết và hàm lượng sét khi tỷ lệ ximăng tro bay – cốt liệu là 1-2

Hình 4.16:Mối quan hệ thời gian bắt đầu ninh kết và hàm lượng sét khi tỷ lệ ximăng tro bay – cốt liệu là 1-3

Kết quả trong hình 4.15 và 4.16 cho thấy sự tương phản với khả năng linh động của vữa đất, nguyên nhân chính là do lượng sét trong vữa đất giữ nước, kéo dài thời gian ninh kết Điều này xảy ra bên cạnh khả năng hydrat của các hạt ximăng tro bay.

Thời gian bắt đầu ninh kết (phút)

Nhóm bùn thải 1 Nhóm bùn thải 2

Thời gian bắt đầu ninh kết (phút)

Nhóm bùn thải 1Nhóm bùn thải 2

Hình 4.17:Mối quan hệ độ thời gian bắt đầu ninh kết và hạt sét trong nhóm 1

Hình 4.18:Mối quan hệ độ thời gian bắt đầu ninh kết và hạt sét trong nhóm 2

Các cấp phối nhóm 1 với tỷ lệ ximăng tro bay và cốt liệu khác nhau cho thấy sự thay đổi rõ rệt về thời gian bắt đầu ninh kết, như thể hiện trong Hình 4.18 Cụ thể, khi hàm lượng ximăng tro bay giảm, thời gian bắt đầu ninh kết của vữa tăng lên, thể hiện qua các cấp phối C1D0, C2D0 và C3D0 Xu hướng này cũng được ghi nhận khi hàm lượng sét tăng dần ở các cấp phối C2D2, C2D4, C3D2, C3D4 Tuy nhiên, khi hàm lượng sét vượt quá 20%, ảnh hưởng của ximăng tro bay đến thời gian bắt đầu ninh kết trở nên đáng kể.

Thời gian bắt đầu ninh kết (phút)

Hàm lượng sét (%) tỷ lệ XM-Cốt liệu =1-1

Tỷ lệ XM-Cốt liệu =1-2

Tỷ lệ XM-Cốt liệu=1-3

Thời gian bắt đầu ninh kết (phút)

Tỷ lệ XM-Cốt liệu 1-1

Tỷ lệ XM-Cốt liệu 1-2

Tỷ lệ XM-Cốt liệu 1-3

Khi cấp phối C2D10 và 3D10, thời gian bắt đầu ninh kết của vữa bị ảnh hưởng bởi hàm lượng sét Các kết quả từ nhóm bùn thải nạo vét 2 cũng chỉ ra mối quan hệ tương đồng giữa thời gian ninh kết và hàm lượng sét trong vữa Điều này chứng tỏ rằng thành phần sét có ảnh hưởng lớn đến khả năng đóng rắn của vữa đất.

Hình 4.19:Mối quan hệ độ thời gian bắt đầu ninh kết và hạt sét

Kết quả trên Hình 4.19 trình bày hàm lượng sét quan hệ tuyến tính với thời gian bắt đầu ninh kết theo phương trình:

Y :Thờigian bắt đầu ninh kết (phút) X: Hàm lượng sét (%)

Mối quan hệ giữa thành phần vữa đất và thời gian bắt đầu ninh kết cho thấy vữa đất có thời gian ninh kết dài hơn nhiều so với vữa truyền thống Đặc biệt, vữa được sản xuất hoàn toàn từ bùn thải có thời gian ninh kết gấp đôi so với vữa truyền thống Mặc dù hàm lượng ximăng tro bay thường ảnh hưởng đến thời gian ninh kết, nhưng đối với vữa bùn thải nạo vét, yếu tố chính lại là thành phần hạt sét trong vữa Mô hình toán học cho thấy y = 3.5439x + 187.44 với R² = 0.9338.

Thời gian bắt đầu ninh kết (phút)

Ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét và chất kết dính đến co ngót khô của vữa

Quá trình kết hợp nước và đạt được khả năng linh động của vữa ảnh hưởng đáng kể đến tính co ngót, đặc biệt là đối với vữa có hàm lượng đất sét cao Kết quả thực nghiệm được trình bày trong Bảng 4.4.

Bảng 4.4:Mối quan hệ giữa hàm lượng hạt sét và co ngót khô

Nhúm Cấp phối Sột (%) Co ngút (àε) nhúm Cấp phối Sột (%) Co ngút (àε)

Hình 4.20:Mối quan hệ độ co ngót và sét khi ximăng tro bay – cốt liệu là 1-1

Hình 4.21:Mối quan hệ độ co ngót và sét khi ximăng tro bay – cốt liệu là 1-2

Nhóm bùn thải 1 Nhóm bùn thải 2

Nhóm bùn thải 1Nhóm bùn thải 2

Hình 4.22:Mối quan hệ độ co ngót và sét khi ximăng tro bay – cốt liệu là 1-3

Vữa ximăng tro bay có khả năng tự co ngót đạt khoảng 600 àε sau 7 ngày với các cấp phối C1D0 và M1D0, do quá trình co ngót khô từ các phản ứng hóa học của ximăng tro bay khi hydrát hóa Kết quả cho thấy khi giảm dần hàm lượng cát, co ngót của vữa tăng dần, với cấp phối nhóm 1 đạt hơn 1250 àε ở C1D10 và cấp phối nhóm 2 đạt khoảng 1050 àε ở M1D10 Sự khác biệt giữa hai nhóm cấp phối này là do hàm lượng sét chênh lệch tạo ra.

Quá trình co ngót của vữa đất chủ yếu bao gồm sự co ngót của ximăng tro bay và hạt sét Sự gia tăng co ngót khô tỷ lệ thuận với hàm lượng sét, cho thấy ảnh hưởng rõ rệt của thành phần này trong quá trình co ngót Cả hai thành phần này đều đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành co ngót khô của vữa đất.

Nhóm bùn thải 1Nhóm bùn thải 2

Hình 4.23:Mối quan hệ độ co ngót và hàm lượng sét của nhóm 1

Kết quả từ Hình 4.23 cho thấy rằng hàm lượng ximăng tro bay giảm dần có ảnh hưởng đến co ngót khô của vữa ximăng tro bay, nhưng mức độ thay đổi không đáng kể ở các cấp phối C1D0, C2D0 và C3D0 Khi hàm lượng ximăng tro bay giảm, co ngót khô của vữa cũng giảm theo, đạt khoảng 515 và 460 àε với cấp phối C2D0 và C3D0, cho thấy sự giảm lượng ximăng tro bay làm giảm phản ứng hóa học và co ngót của vữa Ngược lại, khi hàm lượng hạt sét tăng, co ngót của vữa tăng nhanh chóng Các cấp phối có tỷ lệ ximăng tro bay thấp như C2D10 và C3D10 cho thấy co ngót cao hơn so với các cấp phối khác với hàm lượng hạt sét cao.

Cấp phối nhóm 2 cho thấy hiện tượng co ngót tăng dần theo hàm lượng sét trong vữa Khi sử dụng vữa cát với hàm lượng ximăng tro bay cao, độ co ngót sẽ lớn hơn Tuy nhiên, khi thay thế bằng bùn thải nạo vét nhóm 2, hiện tượng co ngót sẽ tăng nhanh chóng theo cả hàm lượng bùn thải nạo vét và hàm lượng sét.

Hàm lượng sét(%) tỷ lệ XM-Cốt liệu =1-1

Tỷ lệ XM-Cốt liệu =1-2

Tỷ lệ XM-Cốt liệu=1-3

Hình 4.24:Mối quan hệ độ co ngót và hàm lượng sét của nhóm 2

Kết quả từ hình 4.24 cho thấy rằng việc sử dụng ximăng tro bay có khả năng ổn định thành phần vữa đất, tuy nhiên, nó không thể ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng co ngót khô do sự hiện diện của hạt sét.

Hình 4.25:Mối quan hệ độ co ngót và hàm lượng sét

Kết quả trên Hình 4.25 cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa thời gian bắt đầu ninh kết và hàm lượng sét trình bày trong phương trình:

Y: Co ngút khụ của vữa (àε) X: Hàm lượng sét (%)

Co ngót khô (micro strain)

Tỷ lệ XM-Cốt liệu 1-1

Tỷ lệ XM-Cốt liệu 1-2

Tỷ lệ XM-Cốt liệu 1-3 y = 20.156x + 545.32 R² = 0.9771

Co ngót khô (micro strain)

Thành phần hạt sét có vai trò quan trọng trong quá trình co ngót khô của vữa đất Sự ảnh hưởng của hạt sét đến hiện tượng co ngót khô liên quan chặt chẽ đến thời gian bắt đầu ninh kết của vữa.

Hình 4.26:Mối quan hệ độ co ngót và thời gian bắt đầu ninh kết

Kết quả từ Hình 4.26 chỉ ra rằng có một mối quan hệ tuyến tính giữa co ngót khô và thời gian bắt đầu ninh kết ở tất cả các cấp phối.

Y:Co ngút khụ của vữa (àε)

X: Thời gian bắt đầu ninh kết (phút)

Hàm lượng sét trong vữa bùn thải nạo vét ảnh hưởng đến thời gian bắt đầu ninh kết, kéo dài do khả năng giữ nước của hạt sét Quá trình mất nước sau đó, kết hợp với nhiệt hydrát hóa ximăng tro bay và độ ẩm môi trường, dẫn đến hiện tượng co ngót của vữa Thành phần hạt sét cũng quyết định khả năng đóng rắn và mức độ co ngót của vữa, từ đó có thể dự đoán độ co ngót dựa vào thành phần hạt sét có trong vữa.

Ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét và chất kết dính đến khả năng bám dính của vữa

Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của ximăng – tro bay đến lực bám dính của vữa bùn thải nạo vét trình bày trong bảng 4.5 y = 5.313x - 421.76 R² = 0.9131

Co ngót khô (micro strain)

Thời gian bắt đầu ninh kết(phút)

Bảng 4.5:Mối quan hệ giữa hàm lượng hạt sét và khả năng bám dính

Lực bám dính (N/mm 2 ) nhóm Cấp phối

Hình 4.27:Mối quan hệ lực bám dính và sét với tỷ lệ ximăng tro bay – cốt liệu là 1-1

Hình 4.28:Mối quan hệ lực bám dính và sét với tỷ lệ ximăng tro bay – cốt liệu là 1-2

Nhóm bùn thải 1 Nhóm bùn thải 2

Nhóm bùn thải 1Nhóm bùn thải 2

Hình 4.29:Mối quan hệ lực bám dính và sét với tỷ lệ ximăng tro bay – cốt liệu là 1-3

Kết quả từ hình 4.27, 4.28 và 4.29 cho thấy rằng lực bám dính của vữa đất giảm khi lượng bùn thải nạo vét tăng lên Cụ thể, các cấp phối nhóm 1 có lực bám dính thấp hơn so với nhóm 2 khi so sánh các cấp phối từ C1D2 đến C1D10 và từ M1D2 đến M1D10 Nguyên nhân là do thành phần hạt sét trong cấp phối, với những cấp phối chứa nhiều hạt sét hơn có lực bám dính thấp hơn do hiện tượng co ngót lớn Hơn nữa, khi tỷ lệ ximăng tro bay trong các cấp phối giảm, lực bám dính của vữa cũng giảm theo.

Nhóm bùn thải 1Nhóm bùn thải 2

Hình 4.30:Mối quan hệ lực bám dính và hàm lượng sét của nhóm 1

Hình 4.31:Mối quan hệ lực bám dính và hàm lượng sét của nhóm 2

Kết quả từ Hình 4.30 và 4.31 cho thấy rằng khi hàm lượng sét tăng, lực bám dính của vữa giảm dần, đặc biệt là ở các cấp phối C1D0, C2D0 và C3D0 Sự gia tăng thành phần hạt sét trong vữa dẫn đến sự giảm bớt độ bám dính Tuy nhiên, khi hàm lượng sét vượt quá mức nhất định, cường độ bám dính trở nên phụ thuộc hoàn toàn vào hàm lượng sét, như thể hiện ở các cấp phối C1D10, C2D10 và C3D10 Ở mức hàm lượng sét cao, ảnh hưởng của ximăng tro bay trở nên không đáng kể, khiến các cấp phối gần như tương đồng về khả năng bám dính.

Hàm lượng sét(%) tỷ lệ XM-Cốt liệu =1-1

Tỷ lệ XM-Cốt liệu =1-2

Tỷ lệ XM-Cốt liệu=1-3

Tỷ lệ XM-Cốt liệu 1-1

Tỷ lệ XM-Cốt liệu 1-2

Tỷ lệ XM-Cốt liệu 1-3

Hình 4.32:Mối quan hệ lực bám dính và hàm lượng sét

Hàm lượng sét ảnh hưởng đến lực bám dính của vữa bùn thải nạo vét vào vật liệu nền, với kết quả được trình bày trong Hình 4.32 Mối quan hệ giữa lực bám dính và hàm lượng hạt sét được thể hiện qua một phương trình cụ thể.

Y = -0.0029x + 0.1824, với R² = 0.6754 Y: Lực bám dính (N/mm 2 )

Sử dụng vữa có bùn thải nạo vét dẫn đến khả năng bám dính thấp hơn so với vữa xây dựng truyền thống Đặc biệt, hàm lượng sét trong vữa càng cao thì khả năng bám dính càng giảm.

Ảnh hưởng của hàm lượng hạt sét và chất kết dính đến cường độ của vữa

Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của ximăng – tro bay đến cường độ của vữa bùn thải nạo vét trình bày trong bảng 4.6 y = -0.0029x + 0.1824 R² = 0.6754

Bảng 4.6:Mối quan hệ giữa hàm lượng hạt sét và cường độ nén

Cường độ (N/mm 2 ) nhóm Cấp phối

Hình 4.33:Mối quan hệ cường độ và sét với tỷ lệ ximăng tro bay – cốt liệu là 1-1

Hình 4.34:Mối quan hệ cường độ và sét với tỷ lệ ximăng tro bay – cốt liệu là 1-2

NHóm bùn thải 1 Nhóm bùn thải 2

Nhóm bùn thải 1Nhóm bùn thải 2

Hình 4.35:Mối quan hệ cường độ và hàm lượng sét với tỷ lệ ximăng tro bay – cốt liệu là 1-3

Cường độ của vữa ximăng tro bay dao động từ 26 – 40 N/mm², phụ thuộc vào tỷ lệ giữa ximăng tro bay và cốt liệu, với tỷ lệ thay đổi từ 1-3 đến 1-1 Khi sử dụng bùn thải nạo vét thay thế cho cốt liệu cát, hàm lượng sét trong vữa tăng lên, dẫn đến sự giảm cường độ Kết quả cho thấy nhóm bùn thải nạo vét nhóm 1 có cường độ cao hơn nhóm 2, mặc dù cả hai nhóm có tỷ lệ thành phần hạt sét tương tự Điều này chứng tỏ ảnh hưởng của thành phần hạt sét trong vữa, với nhóm 1 có hàm lượng hạt sét cao hơn, thời gian ninh kết lâu hơn, co ngót lớn hơn và lực bám dính thấp hơn, nhưng vẫn đạt cường độ cao hơn Như vậy, cường độ của vữa phụ thuộc vào cường độ của ximăng tro bay hydrat hóa và cường độ của thành phần hạt sét đóng rắn.

Nhóm bùn thải 1Nhóm bùn thải 2

Hình 4.36:Mối quan hệ cường độ và hàm lượng sét của nhóm 1

Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ vữa không sử dụng bùn thải nạo vét có sự chênh lệch lớn, trong khi khi thay thế bằng bùn thải nạo vét nhóm 1, cường độ có xu hướng giảm dần Đặc biệt, khi tỷ lệ hạt sét vượt quá 25%, ảnh hưởng của thành phần ximăng tro bay đến cường độ vữa không còn rõ rệt Các cấp phối C1, C2 và C3 cho thấy giá trị cường độ vữa tương đồng Tương tự, khi sử dụng bùn thải nạo vét nhóm 2, cường độ vữa cũng giảm dần theo hàm lượng hạt sét trong vữa.

Hình 4.37:Mối quan hệ cường độ và hàm lượng sét của nhóm 2

Tỷ lệ XM-Cốt liệu=1-1

Tỷ lệ XM-Cốt liệu=1-2

Tỷ lệ XM-Cốt liệu=1-3

Tỷ lệ XM-Cốt liệu=1-1

Tỷ lệ XM-Cốt liệu=1-2

Tỷ lệ XM-Cốt liệu=1-3

Kết quả trên Hình 4.37 cho thấy khi hàm lượng sét vướt quá 20% thì sự khác biệt về cường độ không còn giữa các cấp phối M1, M2 và M3

Hình 4.38:Bề mặt vữa bùn thải nạo vét phân tích bằng SEM

Bề mặt vữa bùn thải nạo vét sau khi đóng rắn cho thấy sự phân bố của các hạt hình cầu của tro bay, như thể hiện trong hình 4.38 Các hạt tro bay này chưa hoàn toàn phản ứng với ximăng và khoáng sét trong vữa, dẫn đến cường độ của vữa chưa phát triển đầy đủ Quá trình đóng rắn của các thành phần khoáng ximăng sẽ tiếp tục diễn ra trong thời gian tới.

Mối quan hệ giữa cường độ và hàm lượng sét được thể hiện qua một phương trình tuyến tính, cho thấy ảnh hưởng của thành phần hạt sét đến cường độ Hình 4.39 minh họa rõ ràng sự tương tác này, nhấn mạnh tầm quan trọng của hàm lượng sét trong việc xác định cường độ.

Y: Cường độ nén của vữa (N/mm 2 ) X: Hàm lượng sét (%)

Hàm lượng sét có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc của vữa bùn thải nạo vét, làm tăng thời gian ninh kết, tăng khả năng co ngót, giảm tính bám dính và giảm cường độ Để đảm bảo cường độ vữa đạt yêu cầu, không nên sử dụng hàm lượng sét lớn hơn 53%.

Cường độ chịu nén của vật liệu bùn thải nạo vét kết hợp ximăng và tro bay dao động từ 5 – 40 N/mm² khi hàm lượng sét thay đổi từ 0 – 60% Kết quả nghiên cứu cho thấy vữa bùn thải nạo vét có khả năng đáp ứng yêu cầu cường độ của vữa xây dựng từ M5 – M30 theo TCVN 4314 – 2003 Theo TCVN 6477 – 2016, vữa bùn thải nạo vét hoàn toàn có thể đáp ứng yêu cầu về khả năng chịu lực, với cường độ yêu cầu từ M3.5 – M20 Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và hàm lượng sét được mô tả bởi phương trình y = -0.5762x + 30.292 với hệ số xác định R² = 0.8056.