Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu gia cố đất bùn sét tại chỗ làm nền móng đường ở tỉnh Cà Mau

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn

2 TS Lê Văn Phúc – Thư ký

3 PGS TS Lê Anh Thắng – Phản biện 1 4 TS Đỗ Thành Chung – Phản biện 2 5 PGS TS Nguyễn Mạnh Tuấn - Ủy viên

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS Lê Anh Tuấn TS Lê Bá Khánh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ, tên học viên: Nguyễn Đình Thao MSHV: 2070054 Ngày, tháng, năm sinh: 16/9/1997 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 8580205

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu gia cố đất bùn sét tại chỗ làm nền móng đường ở tỉnh Cà Mau (Research on local muddy soil for road foundation in Ca Mau province) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Luận văn nghiên cứu gia cố đất bùn sét tại chỗ làm nền móng đường ở tỉnh Cà Mau Nhiệm vụ cụ thể:

1 Nghiên cứu tổng quan về đất gia cố 2 Thiết kế hỗn hợp đất gia cố

3 Đánh giá chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp đất gia cố

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/09/2021

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/06/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS NGUYỄN MẠNH TUẤN

TP HCM, ngày 06 tháng 06 năm 2021

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS Lê Anh Tuấn

PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn PGS TS Nguyễn Mạnh Tuấn

Xin cảm ơn tất cả mọi người đã đến với học viên trong cuộc đời này

TP HCM, ngày 6 tháng 6 năm 2022

Học viên thực hiện

Nguyễn Đình Thao

TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài

NGHIÊN CỨU GIA CỐ ĐẤT BÙN SÉT TẠI CHỖ LÀM NỀN MÓNG ĐƯỜNG Ở TỈNH CÀ MAU

Khai thác nguồn vật liệu truyền thống (cát, đá) để làm đường làm cạn kiệt nguồn tài nguyên, ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh Cà Mau nói riêng mang một quỹ đất lớn, trong đó đất bùn sét chiếm đa số nên việc tận dụng loại vật liệu này trong xây dựng kết cấu nền - mặt đường để có thể đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cũng như làm giảm đi tác hại đến môi trường Có rất nhiều phương pháp được nghiên cứu để cải thiện tính chất cơ lý của đất và một trong số đó có thể kể đến cách làm cứng bùn bằng phương pháp gia cố đất Luận văn đưa ra một số kết quả đánh giá ban đầu thực hiện khi gia cố đất bùn sét tại Cà Mau với chất kết dính (vôi, xi măng) Kết quả thu được, khi đất được gia cố chất kết dính (vôi, xi măng) với hàm lượng cao thì chỉ tiêu kỹ thuật đất gia cố thõa mãn yêu cầu cần thiết để thi công lớp móng dưới kết cấu nền - mặt đường

THESIS SUMMARY Topic

RESEARCH ON LOCAL MUDDY SOIL FOR ROAD FOUNDATION IN CA MAU PROVINCE

Conventional materials used in roads are and are creating the reduction from nature resourses, and the environment is getting worse The Mekong Delta region, especially Ca Mau province have many areas of muddy soils which are could be used as the local materials in road embankment and pavement to reduce the construction cost as well as the environment effect There are many applicable methods for improvement the mechanical properties of muddy soil, and one of them is the soil modification The thesis gives some initial evaluation results when reinforcing clay in Ca Mau with binder (lime, cement) The result shows the muddy soil could be used for sub-base layer when combined with binders (lime, cement) with high content

LỜI CAM ĐOAN

Học viên cam đoan luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu gia cố đất bùn sét tại chỗ làm nền móng đường ở tỉnh Cà Mau” là do chính cá nhân học viên thực hiện

Luận văn Thạc sĩ được thực hiện dựa trên nhiệm vụ của luận văn thạc sĩ, không sao chép bất kỳ của cá nhân hay tổ chức nào, những số liệu thí nghiệm của luận văn là

số liệu trung thực Học viên chịu trách nhiệm về nội dung mà mình thực hiện

TP Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 6 năm 2022

Học viên thực hiện

Nguyễn Đình Thao

Học viên cao học khóa 2020

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao Thông Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 3

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Kết quả nghiên cứu 3

2.1 Giới thiệu phương pháp đất gia cố 5

2.2 Cơ chế hình thành cường độ đất gia cố 9

2.2.1 Nguyên lý hình thành cường độ đất gia cố xi măng 10

2.2.2 Nguyên lý hình thành cường độ đất gia cố vôi 11

2.3 Các nhân tố ảnh hưởng cường độ đất gia cố 13

2.3.1 Loại đất 13

2.3.2 Xi măng, hàm lượng xi măng 15

2.3.3 Vôi, hàm lượng vôi 17

2.3.4 Thời gian bảo dưỡng 18

2.3.5 Độ ẩm 20

2.3.6 Nhiệt độ môi trường 21

3.2.1 Xác định độ ẩm tự nhiên ban đầu của đất 28

3.2.2 Xác định độ ẩm tối ưu của đất gia cố 29

3.3 Thiết kế cấp phối 30

3.3.1 Đất gia cố xi măng 30

3.3.2 Đất gia cố vôi 34

3.3.3 Đất gia cố hỗn hợp vôi, xi măng 35

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VẬT LIỆU GIA CỐ 37

4.3.3 Đất gia cố hỗn hợp vôi, xi măng 44

4.4 Mô đun đàn hồi 44

4.5.3 Mô đun đàn hồi 48

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50

5.1 Kết luận 50

5.2 Kiến nghị 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của đất bùn sét [23] 27Bảng 3.2: Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng 28

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sơ đồ 19 tuyến Cao tốc khu vực phía Nam [2] 1

Hình 1.2: Dự án đầu tư xây dựng tuyến đường giao thông kết nối vào 2

Hình 2.1: Hiện trạng tuyến đường liên huyện Việt Yên [5] 7

Hình 2.2: Phay nhỏ đất và rải xi măng theo hàm lượng [5] 7

Hình 2.3: Tưới dung dịch xử lý (nước + phụ gia) đều trên lớp đất [5] 7

Hình 2.4: Trộn hỗn hợp đất gia cố bằng thiết bị chuyên dùng [5] 8

Hình 2.5: Lu lèn chặt lớp đất gia cố [5] 8

Hình 2.6: Hoàn thiện mặt đường [5] 8

Hình 2.7: Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi [5] 9

Hình 2.8: Sự gia tăng cường độ của đất gia cố vôi tùy thuộc loại đất và tỷ lệ vôi [8] 14

Hình 2.9: Ảnh hưởng của loại đất đến cường độ đất gia cố xi măng [11] 15

Hình 2.10: Cường độ nén đất gia cố với các tỷ lệ khác nhau của xi măng và vôi [12] 16

Hình 2.11: Ảnh hưởng của loại ximăng đến cường độ [13] 17

Hình 2.12: Cường độ đất gia cố vôi thay đổi theo tỷ lệ vôi và tuổi nén mẫu [8] 18

Hình 2.13: Đồ thị biểu diễn dự báo cường độ đất gia cố [14] 19

Hình 2.14: Mối quan hệ giữa tham số b và tỷ lệ xi măng - nước [14] 19

Hình 2.15: So sánh giữa giá trị dự đoán và đo được [14] 20

Hình 2.16: Ảnh hưởng của độ ẩm đến cường độ đất gia cố vôi [8] 21

Hình 2.17: Sự gia tăng cường độ của đất gia cố vôi nhờ tác dụng đầm nén thêm của xe chạy (N1 > N2 > N3) [8] 22

Hình 2.18: Lựa chọn chất kết dính để gia cố đất [22] 25

Hình 3.1: Công thức hình thành mẫu đất gia cố 28

Hình 3.2: Mẫu được cắt nhỏ trước khi sấy 29

Hình 3.3: Mẫu được sấy khô 29

Hình 3.4: Mẫu đất nguyên dạng được cắt nhỏ 31

Hình 3.10: Mẫu đất gia cố sau khi đầm nén 33

Hình 3.11: Độ ẩm tối ưu cho từng mẫu đất gia cố xi măng 34

Hình 3.12: Độ ẩm tối ưu cho từng mẫu đất gia cố vôi 35

Hình 3.13: Độ ẩm tối ưu cho từng mẫu đất gia cố vôi + xi măng 36

Hình 4.1: Chế tạo mẫu đất gia cố 38

Hình 4.2: Thí nghiệm cường độ chịu nén 39

Hình 4.3: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén mẫu đất gia cố xi măng 40

Hình 4.4: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén mẫu đất gia cố vôi 41

Hình 4.5: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén mẫu đất gia cố vôi, xi măng 42

Hình 4.6: Thí nghiệm cường độ kéo ép chẻ 43

Hình 4.7: Kết quả thí nghiệm cường độ kéo khi ép chẻ mẫu đất gia cố xi măng 43

Hình 4.8: Kết quả thí nghiệm cường độ kéo khi ép chẻ mẫu đất gia cố vôi 44

Hình 4.9: Kết quả thí nghiệm cường độ kéo khi ép chẻ mẫu đất gia cố vôi, xi măng

44

Hình 4.10: Thí nghiệm mô đun đàn hồi 45

Hình 4.11: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi mẫu đất gia cố xi măng 46

Hình 4.12: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi mẫu đất gia cố vôi 46

Hình 4.13: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi mẫu đất gia cố vôi, xi măng 47

Hình 4.14: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén 47

Hình 4.15: Kết quả thí nghiệm cường độ kéo khi ép chẻ 48

Hình 4.16: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi 49

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngành giao thông vận tải đặc biệt là: các tuyến cao tốc, đại lộ, tỉnh lộ, đường ven biển…đang được nhà nước chú trọng quan tâm, đầu tư trong kế hoạch trung hạn 2021-2025 Khu vực phía Nam nói chung và đồng bằng sông Cửu Long nói riêng, cũng được chú trọng đầu tư với khoảng 640Km đường cao tốc, theo thống kê dự kiến đến năm 2030 của tác giả Đình Quang [1] Ở giai đoạn này sẽ có 2 tuyến cao tốc từ Bắc tới Nam là: Cần Thơ nối Bạc Liêu với chiều dài khoảng 76Km và Bạc Liêu nối Cà Mau với chiều dài khoảng 48Km Ngoài ra, trong giai đoạn trung hạn này cũng được đầu tư 3 tuyến cao tốc từ Tây sang Đông, gồm: Mỹ An nối Cao Lãnh, An Hữu nối Cao Lãnh và Châu Đốc nối Cần Thơ đến Sóc Trăng với quy mô chiều dài lần lượt là: 26Km, 30Km và 180Km

Hình 1.1: Sơ đồ các tuyến Cao tốc khu vực phía Nam [2]

Với kế hoạch đầu tư như thế thì nguồn vật liệu cung cấp cho các công trình là vô cùng lớn và cấp thiết Do đó, tìm ra nguồn vật liệu mới thay thế các loại vật liệu truyền thống như: cát, đá,… trong xây dựng kết cấu nền - mặt đường được rất nhiều người quan tâm như: các cấp lãnh đạo, cơ quan, nhà đầu tư, nhà nghiên cứu…

Khai thác quá mức vật liệu trong xây dựng công trình đã làm khan hiếm nguồn tài nguyên thiên nhiên, ảnh hưởng xấu đến môi trường xung quanh, kéo theo

đó là việc xảy ra hiện tượng sụt lún, sạt lở khu vực khai thác, ảnh hưởng trực tiếp đến các công trình lân cận, đến vật chất, đời sống tinh thần và hơn nữa là tính mạng người dân như: sạt lở các đoạn đường giao thông, sạt lở nhà cửa gần bờ sông, Bởi sự cạn kiệt, khan hiếm nguồn vật liệu dẫn đến giá cả ngày một tăng, làm tăng chi phí xây dựng và ảnh hưởng chính đến tiến độ thi công xây dựng

Với một quỹ đất lớn ở vùng đồng bằng sông Cửu Long, chính là đất bùn sét, nếu có thể tận dụng được loại vật liệu này trong xây dựng kết cấu nền - mặt đường, có thể làm giảm đi kinh phí đầu tư xây dựng thay vì đất này đang được đào bỏ để thay cát hay chỉ được tận dụng để đắp bờ bao

Hình 1.2: Đất được đào thay bằng cát tại công trình tuyến đường giao thông kết nối vào khu vực Đầm Thị Tường, tỉnh Cà Mau (chụp tại Cà Mau, 2021)

Để tận dụng được loại đất này trong xây dựng nền đường, trước tiên phải đảm bảo yêu cầu về cường độ và độ ổn định nước thì cần phải có biện pháp gia cố đất thích hợp Ở nước ta, việc nghiên cứu ứng dụng hầu hết chỉ tập trung chú trọng cho các loại đất tốt như: đất bazan, đất á cát, đất sỏi đỏ,… mà phần lớn đất bề mặt khu vực miền Tây là đất bùn sét, chiều sâu từ 5÷10m, có nơi lên đến 20m (tỉnh Cà Mau) Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng về gia cố đất bùn sét là cần thiết, mặc dù theo khuyến cáo tiêu chuẩn TCVN 10379-2014, không nên sử dụng đất bùn sét gia cố, nhưng học viên vẫn muốn nghiên cứu đất bùn sét gia cố để đánh giá khả năng

làm việc nhằm giảm đi phần nào chi phí xây dựng công trình, nhưng phải đảm bảo tính kỹ thuật cho các lớp kết cấu, giảm đi sự phụ thuộc nguồn vật liệu (cát, đá) cung cấp cho công trình đang ngày một cạn kiệt, khan hiếm

1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Để đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật là thì việc lựa chọn chất kết dính phù hợp để gia cố đất là cần thiết Học viên tiến hành thiết kế cấp phối và thí nghiệm đánh giá cường độ và độ bền của hỗn hợp đất gia cố Tìm ra các quy luật phát triển cường độ và độ bền theo thời gian của hỗn hợp đất sau khi gia cố Nghiên cứu chủ yếu ứng dụng để xây dựng kết cấu móng cho lớp kết cấu áo đường mềm cấp thấp (B1, B2) đến cấp cao (A1, A2)

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Sử dụng chất kết dính vô cơ (vôi, xi măng) để gia cố đất là đề tài được học viên nghiên cứu thực hiện Sử dụng phương pháp phối trộn và đánh giá đất sau khi gia cố thông qua các thí nghiệm trong phòng về các đặc trưng cơ lý như: xác định độ ẩm tối ưu, cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi ép chẻ và mô đun đàn hồi

1.4 Kết quả nghiên cứu

Kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý thu được Đất sau khi gia cố đảm bảo được tính chất cơ lý trong thi công xây dựng lớp móng dưới nền đường

1.5 Ý nghĩa đề tài

1.5.1 Ý nghĩa khoa học

Tìm ra phương án mới xây dựng kết cấu móng trong xây dựng nền đường dựa trên nghiên cứu phương pháp trộn đất với chất kết dính Mở ra một hướng đi mới trong thiết kế nền đường, làm động lực để triển khai nghiên cứu mở rộng Thành

1.6 Nội dung nghiên cứu

Nội dung thực hiện Luận văn gồm 5 chương:

Chương 1- Giới thiệu chung: Giới thiệu các vấn đề liên quan về đề tài nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu

Chương 2- Tổng quan: Giới thiệu phương pháp gia cố đất, cơ chế hình thành cường độ, các nghiên cứu trong và ngoài nước

Chương 3- Thiết kế cấp phối đất gia cố: Trình bày các cơ sở lý thuyết phục vụ cho tính toán và thí nghiệm đánh giá chất lượng đất gia cố trong phòng trình bày các kết quả từ thực nghiệm

Chương 4- Đánh giá chất lượng vật liệu đất gia cố: Đánh giá chất lượng vật liệu đất gia cố bằng các thí nghiệm trong phòng về các chỉ tiêu cơ lý được trình bày

Chương 5- Kết luận và kiến nghị: Các kết luận chính từ các thí nghiệm đánh giá chất lượng, một số kiến nghị và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 Giới thiệu phương pháp đất gia cố

Ngay từ thế kỷ 17, tại nước Nga, người ta đã sử dụng đất sét có cho thêm vôi để xây dựng pháo đài Ivangorotski Từ năm 1912, việc sử dụng đất á cát trộn thêm xi măng khi xây dựng đường trong công viên Đến năm 1925 việc nghiên cứu mới trở nên toàn diện và thay đổi dần tính chất cơ lý các loại đất để sử dụng chúng làm tầng mặt hoặc tầng móng đường trong Viện nghiên cứu khoa học đường bộ được M.M.Philatop tiến hành ở Matxcova và V.V Okhotin tiến hành ở Leningrad [3]

Những năm 70, đất gia cố với vôi và xi măng được sử dụng rộng rãi hơn trong công tác xây dựng đường ô tô, sân bay ở nhiều quốc gia [3] Các nước như Liên Xô, Đức, Ấn Độ, Mỹ cho thấy rằng kết cấu áo đường với phương pháp gia cố bằng vôi và xi măng vẫn được khai thác tốt đến hai ba mươi năm Tùy vào từng loại đất, người ta đã bổ sung thêm các loại phụ gia để việc gia cố nhanh đạt hiệu quả hơn, ví dụ như: vôi bột, clorua-canxi, silicatnatri, thạch cao, các muối dễ tan hoặc các chất hoạt tính bề mặt… được bổ sung thêm vào đất gia cố xi măng [3]

Vôi có tác dụng làm giảm hẳn hoặc mất hết tính dẻo của các loại đất đã được các nhà nghiên cứu tìm ra [3] Các kết quả của Liên Xô và các nước đã cho kết quả là vôi thủy hóa hiệu quả với các loại đất sét, nhưng cường độ không cao như với các loại hỗn hợp đất đá dăm hay sỏi đỏ Khi làm móng đường dùng tỷ lệ vôi khoảng 5-10%, còn xây dựng các lớp đệm chỉ cần dùng 2-3% vôi [3]

Ở nước ta, Nghiên cứu ứng dụng đất gia cố được tiến hành tương đối sớm trong xây dựng kết cấu nền đường [3] Viện Kỹ thuật giao thông, Trường Đại học Giao thông, Trường Đại học Xây dựng,…triển khai nghiên cứu với quy mô ngày càng lớn Nghiên cứu đề tài này được nhà nước quan tâm, được xem là đề tài quan trọng trong xây dựng công trình đường giao thông Việc nghiên cứu ứng dụng ngày càng mở rộng đến các đơn vị địa phương với việc xây dựng thí điểm các đoạn đường gia cố vôi hay xi măng ở các tỉnh như: Hà Nội, Long An, Trà Vinh, Đồng Tháp,…[3]

Khu vực phía Bắc, việc nghiên cứu ứng dụng gia cố đất phổ cập từ vùng đồng bằng đến miền núi [3] Khu vực Tây Nguyên và Đông Nam Bộ tiến hành nghiên cứu với các loại đất đỏ bazan và các loại đất bùn sét tại các tỉnh miền Tây Chất kết dính vô cơ (bao gồm: vôi, xi măng) là phương pháp gia cố được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi đến thời điểm hiện tại Một số công trình thử nghiệm đất gia cố ở Việt Nam: [3]

- Năm 1974, đoạn thí điểm trên đường Hàng Bột với 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 việc tốt trong điều kiện lưu lượng xe cao [3]

- 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 là đoạn đường đáp ứng được yêu cầu khai thác [3]

- Phân Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải Phía Nam kết hợp với Tổng Công ty Xây dựng tiến hành thi công thí điểm đoạn đường gia cố vôi tại Quốc lộ 62 - Long An bằng 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 việc tốt trong điều kiện lưu lượng xe cao [3]

Gần đây, tại An Giang sử dụng phương pháp đất trộn xi măng để thi công xây dựng mặt đường giao thông nông thôn phục vụ xe thô sơ và xe tải trọng nhỏ

(≤2,5T) với loại đất cát san lấp trộn xi măng với chiều dài 334m Kết quả thu được sau 28 ngày tuổi, mô đun của mẫu đất gia cố xi măng đạt hơn 100MPa với hàm lượng xi măng gia cố ≥12% và xe tải nhẹ có thể lưu thông một cách an toàn [4]

Tại Bắc Giang, nhóm nghiên cứu của Trần Long Giang chọn phương pháp được sử dụng là gia cố đất bằng xi măng để xây dựng kết cấu mặt đường Lớp đất đá được hóa cứng dày 20cm, kết quả thí nghiệm sau 7 ngày với 20 mẫu đất gia cố

đều đạt giá trị mô đun đàn hồi Ech > 120MPa Một số hình ảnh thi công và thí nghiệm như sau:

Hình 2.1: Hiện trạng tuyến đường liên huyện Việt Yên [5]

Hình 2.2: Phay nhỏ đất và rải xi măng theo hàm lượng [5]

Hình 2.3: Tưới dung dịch xử lý (nước + phụ gia) đều trên lớp đất [5]

Hình 2.7: Thí nghiệm xác định giá trị mô đun đàn hồi [5]

Từ đó, ta thấy việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp gia cố đất cho các công trình đã được triển khai từ rất sớm và đặc biệt ở các tỉnh miền Bắc nước ta và hiện nay công nghệ này cũng đang được tiếp tục nghiên cứu rộng rãi trên địa bàn cả nước

2.2 Cơ chế hình thành cường độ đất gia cố

Đồng bằng sông Cửu Long mang quỹ đất lớn, đặc biệt là đất bùn sét Để cải tạo tính chất cơ lý của loại đất này chúng ta cần phải tìm cách làm cứng hóa bùn (Ngô Anh Quân, 2019) Xi măng, vôi, là các chất kết dính được nghiên cứu khi cho trộn chung với bùn được sử dụng rộng rãi ở vùng đất yếu [6]

Cường độ đất gia cố qua 2 vấn đề là: cứng hóa và ổn định Cứng hóa là quá trình cải thiện tính chất cơ lý trong đất như: cường độ nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo, độ sệt và ổn định nước Ổn định là làm giảm và hạn chế chất gây ô nhiễm có trong đất bùn sét [6]

Có 3 phản ứng xảy ra chính gồm: khử nước, trao đổi ion, phản ứng keo hóa khi gia cố đất bùn Cường độ đất sau khi gia cố phụ thuộc chủ yếu vào phản ứng keo hóa được tăng từ từ theo thời gian [6]

Phản ứng trao đổi cation giúp tạo ra chất kết dính C-S-H qua phản ứng puzzolan:

nCaO + SiO2 + yH2O → C-S-H (2.1)

2.2.1 Nguyên lý hình thành cường độ đất gia cố xi măng

Đất sau khi được gia cố xi măng, thông qua việc đầm nén và biến cứng lâu dài trong môi trường ẩm, hỗn hợp sau khi gia cố trở thành một vật thể toàn khối, bền vững Hàm lượng chất kết dính với phương pháp gia cố phù hợp là yếu tố quan trọng đến chất lượng mẫu Cùng với đó là hàm lượng nước cần thiết đảm bảo cho quá trình thủy phân và thủy hóa của xi măng Diện tích bề mặt đất sét tiếp xúc lớn nếu không được nghiền đập kỹ và trộn cẩn thận thì không thể làm cho độ chặt của

hỗn hợp đạt được đến độ chặt lớn nhất [7]

Quá trình trao đổi ion và phản ứng hóa học sau khi trộn đất với xi măng được diễn ra trong thời gian dài, gồm 2 giai đoạn: [7]

Giai đoạn I: Bắt đầu sự chuyển hóa các ion từ mạng tinh thể của khoáng vật

trong xi măng vào môi trường nước và hiđrát hóa chúng trong môi trường này Tiếp đó là sự kết tinh hóa của các khoáng vật mới, ổn định vừa được tách ra từ dung dịch những sản phẩm hiđrát nói trên Giai đoạn đầu, từ những hạt nguyên sinh của đất kết dính và những mầm kết tinh nói trên nảy sinh cấu trúc ngưng tụ Cấu trúc ngưng tụ là một mạng lưới không gian được tạo nên bằng con đường kết dính, chưa có trật tự nhất định từ những hạt nhỏ nhất của pha rắn phân tán trong môi trường phân tán

Giai đoạn II: Là sự đông cứng tạo nên cấu trúc kết tinh Cấu trúc kết tinh là

loại có cường độ và độ ổn định nước cao nhất Cấu trúc kết tinh là tốt nhất vì nó phát sinh trên cơ sở của cấu trúc keo tụ do sự hòa tan vào nước, thành phần pha rắn phân tán vốn có từ trước nhờ sự xuất hiện của dung dịch bão hòa đối với chất thủy hóa mới

Giai đoạn đầu đất trộn với xi măng và nước để tạo ra hiđrô silicát canxi

(CaO.SiO2.nH2O hoặc Ca(OH)2) và các sản phẩm khác của sự thủy phân Giai đoạn tiếp theo là phản ứng của đất với các sản phẩm thủy hóa (như hiđrô silicát canxi (CaO.SiO2.nH2O hoặc Ca(OH)2) Quá trình tương tác hóa lý và hóa học xảy ra rất mạnh vì diện tích tiếp xúc của xi măng và đất đều lớn Khả năng này càng rất rõ đối

với những loại đất không chứa cácbonnát, không bão hòa bazơ Trước tiên dẫn đến sự hấp thụ cation Ca++ từ canxi hiđrôxít được tách ra trong dung dịch, làm giảm số lượng ion canxi trong hệ thống Các quá trình hóa rắn của đất – xi măng chậm lại và cấu trúc của hệ thống đất gia cố xi măng cũng kém bền vững hơn trong xi măng hay trong bê tông xi măng [7]

Quá trình phản ứng khi gia cố đất với xi măng làm thay đổi các tính chất cơ lý, đóng vai trò trong việc hình thành cường độ như: thành phần hạt, thành phần

khoáng - hóa, hàm lượng và thành phần chất mùn, độ pH,… Đất thích hợp nhất để gia cố xi măng là loại á cát, hỗn hợp sét – cát có thành phần cấp phối tốt nhất, đất cát có nhiều loại kích cỡ hạt, á sét nhẹ Các loại đất á sét nặng, đất sét cũng có thể gia cố xi măng, nhưng lượng xi măng cần nhiều hơn và năng lượng trong việc gia công đất cũng tốn nhiều [7]

2.2.2 Nguyên lý hình thành cường độ đất gia cố vôi

Vôi được để gia cố đất trong xây dựng đường và được áp dụng rộng rãi trên thế giới Đất gia cố vôi trong thi công lớp móng dưới hay lớp móng trên, để đảm cường độ cho lớp kết cấu nền – mặt đường, mang lại ưu điểm như sau: [7]

- Thi công nhanh chóng - Giảm tính dẻo của đất - Chống lại sự thấm nước - Tăng cường độ theo thời gian - Sử dụng thân thiện với môi trường - Chi phí tiết kiệm

Quá trình hình thành cường độ đất gia cố vôi được thể hiện dưới đây: [7] - Có sự trao đổi ion+ hoá trị một X+ vốn có ở lớp khuếch tán các hạt đất lấy các ion Ca+ có trong vôi

Khi vôi tôi trong nước, phân tử vôi phân ly thành các ion:

Ca(OH)2 => Ca++ + 2(OH)- (2.2) Và phương trình trao đổi ion xảy ra như sau:

Đất mang ion X+ + Ca(OH)2 <=> Đất mang ion Ca++ + X+ (2.3) Đất mang ion X+ + Ca(OH)2 <=> Đất mang ion Ca++ + 2XOH (2.4) Trong đó ion X+ có thể là H+, Na+, K+, …

Các phương trình hoá học nói trên sẽ diễn ra theo chiều thuận nếu trộn vào hỗn hợp một lượng CaO đủ nhiều và đủ hoạt tính Kết quả thu được đất giảm đi tính dẻo, tăng cường độ và độ ổn định nước

- Quá trình Cacbonat hoá vôi khi vôi hút CO2 trong không khí và có trong lỗ rỗng của đất:

Ca(OH)2 + CO2 => CaCO3 + H2O (2.5)

Khi có mặt nước thì phản ứng cacbonat hoá này có thể xảy ra CaCO3 là chất kết tinh rắn chắc, tạo ra tác dụng gia cố đất

Quá trình tự kết tinh của Ca(OH)2 theo phản ứng hóa học dưới đây: Ca(OH)2 + nH2O →Ca(OH)2.nH2O (2.6)

Theo phản ứng nói trên, vôi trong nước sẽ từ thể keo chuyển dần sang thể kết tinh rồi cùng đất kết trở thành một khối tđồng nhất Sau khi vôi kết tinh, độ hoà lẫn trong nước của chúng giảm đi một nửa so với phân tử vôi chưa định hình, do đó tăng tính ổn định nước cho đất gia cố

- Do tác dụng hoá học giữa vôi và các hợp chất silicát có trong đất, từ đó tạo ra các chất kết dính mới biến cứng trong môi trường ẩm giống xi măng như

CaO.SiO2.nH2O (hiđrô silicát canxi) hoặc 3CaOH.Al2O3.6H2O (hiđrô aluminát canxi):

x Ca(OH)2 + SiO2 + (n-1)H2O => xCaO.SiO2.nH2O (2.7)

x Ca(OH)2 + Al2O3 + (n-1) H2O => xCaO.Al2O3.nH2O (2.8) Các hợp chất này mới tạo ra chính là các sản phẩm thu được sau khi xi măng phân giải trong nước Chính chúng là các chất kết dính biến cứng được trong nước và nhờ có chúng, đất gia cố vôi không những có tính ổn định nước tốt mà còn có thể càng tăng cường độ trong môi trường ẩm

Để quá trình tương tác hoá học, hoá lý giữa vôi và hạt sét trong đất được nhanh hơn, các chất phụ gia vào với vôi để gia cố đất như: các loại muối Na2SiO3, Na2SiO4, MgSiO4, độ ổn định nước [7]

2.3 Các nhân tố ảnh hưởng cường độ đất gia cố

+ Nhìn chung các loại đất á cát - á sét, đất bụi, đất sét đều có thể gia cố với vôi nhưng càng nhiều thành phần hạt sét, tức là chỉ số dẻo của đất càng lớn thì cường độ gia cố càng cao vì sét có hoạt tính mạnh, tỷ lệ và năng lượng bề mặt lớn, khả năng trao đổi ion lớn Tuy nhiên đất sét nặng (chứa quá nhiều hạt sét) thì cường độ kém hơn vì khó làm nhỏ và trộn đều với vôi, đồng thời lớp kết cấu sau khi hình thành lại dễ bị nứt do co ngót Mặt khác, nếu đất có chỉ số dẻo quá thấp (á cát, cát) thì cường độ đất gia cố vôi cũng không cao vì càng nhiều cát thì hoạt tính càng thấp

và càng khó lu lèn chặt Do vậy, loại đất thích hợp để gia cố vôi là loại có chỉ số dẻo trong phạm vi 10-20 Quan hệ giữa cường độ đất gia cố tùy thuộc loại đất và tỷ lệ vôi được minh họa ở Hình 2.1 như sau: [8]

1 Đất sét bụi; 2 Đất sét lẫn sỏi cuội; 3 Đất á sét; 4 Cát

Hình 2.8: Sự gia tăng cường độ của đất gia cố vôi tùy thuộc loại đất và tỷ lệ vôi [8]

- Về thành phần khoáng hóa:

Đất có thành phần khoáng caolinit và chứa nhiều ion Ca++ thì kết quả gia cố sẽ cao; nếu chứa muối kiềm, đặc biệt là muối sunfat (như CaSO4) thì hiệu quả kém vì loại muối này khi kết tinh sẽ nở thể tích làm giảm cường độ của liên kết xi măng Do vậy hàm lượng loại muối sunfat có trong đất không nên vượt quá 0,25% và tổng các loại muối khác nhau không được quá 4% theo khối lượng khô Điều này có thể thấy rõ qua phản ứng hóa học dưới đây: [8]

MgSO4 + Ca(OH)2 + 2H2O => Mg(OH)2 + CaSO4.2H2O (2.9)

Đất gia cố với xi măng là loại đất được phép dùng để đắp nền đường (tiêu chuẩn TCVN 9436:2012 [9]) theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014 [10]

Theo Kaki và cộng sự, chỉ ra rằng 3 loại đất: cát, sét và sỏi tiến hành gia cố xi măng, cho thấy đất cát gia cố xi măng cho thì cường độ cao hơn với đất sét và sỏi Hàm lượng hạt sét trong đất càng nhiều thì lượng xi măng đem trộn phải tương ứng

không nở hông, silt and clay = đất phù sa và đất sét, sand = cát, gravel = sỏi)

2.3.2 Xi măng, hàm lượng xi măng

Xi măng nào cũng có thể gia cố đất và cát nhưng nên chọn loại xi măng có thời gian ninh kết dài để tiện cho thi công Không nên sử dụng xi măng ninh kết nhanh, xi măng sớm tăng cường độ và xi măng biến chất do ẩm thì không nên sử dụng [8]

Gia cố đất với xi măng portland mang hiệu quả hơn khi gia cố sử dụng vôi, tro bay theo nghiên cứu của S Bhattacharja and J.I Bhatty Mặc dù việc cải thiện đất bằng ximăng hay vôi đều dựa trên phản ứng hóa học tương tự nhau nhưng mức độ tăng cường độ thì khác nhau Trong cả hai trường hợp khi cho chất kết dính vào đất thì độ ẩm trong đất giảm do phản ứng hydrat hóa xảy ra và cường độ bắt đầu tăng

khi ổn định, cement = xi măng, lime = vôi, FA = tro bay, soil = đất)

Jacobson [13] tiến hành thí nghiệm cho một loại đất với hai loại xi măng cùng hàm lượng như nhau là 200kg/m3 Loại I là xi măng thông dụng theo yêu cầu của ASTM C150 và loại II là xi măng có thêm hoạt chất sunfat Kết quả thu được khi gia cố đất với xi măng loại I xảy ra quá trình hydrat hóa nhanh và cường độ đạt cao hơn so với khi gia cố đất với xi măng loại II, kết quả thể hiện như Hình 2.11

Hình 2.11: Ảnh hưởng của loại ximăng đến cường độ [13] (unconfined compressive strengh = cường độ nén không nở hông,

cure time = tuổi mẫu, days = ngày)

2.3.3 Vôi, hàm lượng vôi

Loại vôi có thành phần hóa học là: CaO hoặc MgO đều dùng để gia cố đất được Vôi CaO làm cho cường độ đất gia cố vôi tăng nhanh hơn vôi MgO ở trong thời kỳ đầu nhưng vôi MgO ở giai đoạn sau cũng có tác dụng nhanh như vôi CaO, nhất là khi sử dụng tỷ lệ vôi lớn Vôi sử dụng để gia cố đất nên có tổng hàm lượng CaO + MgO tối thiểu là 60%: đối với vôi sống nghiền và tối thiểu là 50% với vôi tả Hàm lượng CaO + MgO càng lớn thì hiệu quả gia cố càng cao Chú ý rằng, vôi bảo quản càng lâu thì hoạt tính càng kém, do đó tốt nhất chỉ dùng các loại vôi ra lò trong vòng 3 tháng trở lại; nếu dùng các loại để lâu và hàm lượng CaO + MgO thấp thì nên thử nghiệm đánh giá và nên tăng tỷ lệ vôi thích đáng [8]

Vôi nghiền mịn cho hiệu quả gia cố đạt cao hơn, đặc biệt khi dùng để gia cố đất sét ẩm vì khi trộn với đất ẩm chúng sản sinh ra nhiệt lượng lớn, thúc đẩy nhanh sự biến cứng của đất gia cố Tuy nhiên, chi phí cho việc nghiền vôi cao và phát sinh bụi vôi trong quá trình thi công nên hiện còn ít dùng Hình 2.12 thể hiện cường độ và độ ổn định đất gia cố vôi tùy thuộc tỷ lệ vôi và thời gian [8]

Hình 2.12: Cường độ đất gia cố vôi theo tỷ lệ vôi và tuổi nén mẫu [8] Hình 2.12 hàm lượng vôi khi tiếp tục tăng tỷ lệ đến một giá trị nhất định thì cường độ đất gia cố vôi sẽ tăng chậm (hiệu quả tăng tỷ lệ vôi sẽ kém đi) Do lượng vôi quá nhiều sẽ xảy ra tình trạng tồn tại vôi tự do trong lỗ rỗng của đất (vôi thừa vì không phản ứng và trao đổi hết với đất) mà cường độ của riêng vôi lại thấp hơn cường độ liên kết giữa đất và vôi [8]

2.3.4 Thời gian bảo dưỡng

- Đối với đất gia cố xi măng:

Cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng thông qua thời gian bảo dưỡng của Iunjie Yang và cộng sự [14] như sau:

= ∗ ( ) (2.10)

Trong đó: qu: giá trị dự báo cường độ đất gia cố xi măng (kPa) tại thời điểm đóng rắn t trong một điều kiện nhất định;

qut0: cường độ đất gia cố xi măng (kPa) tại thời điểm đóng rắn t0

trong cùng một điều kiện;

b: điều kiện liên quan đến hàm lượng xi măng

Hình 2.14: Mối quan hệ giữa tham số b và tỷ lệ xi măng - nước [14]

(undetermined parameters = thông số điều kiện, cement - water ratio = tỷ lệ xi măng - nước, cement incorporation ratio = tỷ lệ kết hợp xi măng)

Cường độ chịu nén của mẫu được so sánh giữa giá trị đo được vs giá trị dự báo từ công thức:

Hình 2.15: So sánh giữa giá trị dự đoán và đo được [14]

(intensity predictive value = giá trị cường độ dự đoán, strength measured value = giá trị đo cường độ, cement ratio = tỷ lệ xi măng, curing time = tuổi mẫu) - Đất gia cố vôi: Cường độ đất gia cố tăng theo thời gian, trong 1 đến 2 tháng sẽ tăng nhanh và sau đó tăng chậm dần (6 tháng tăng chỉ bằng ½ của tháng đầu) Quy luật tăng này có thể được đặc trưng bằng hàm số mũ: [8]

= ∗ ( ) (2.11) Trong đó: R1 là cường độ chịu nén ở 1 tháng tuổi;

Rt là cường độ chịu nén ở t tháng tuổi; t là thời gian tuổi mẫu (tháng);

β là hế số hồi quy thực nghiệm (β = 0,1 ÷ 0,5)

Quy luật tăng cường độ nói trên chứng tỏ tác dụng tương hỗ giữa đất và vôi xảy ra tương đối chậm, do vậy thời gian thi công không phải khống chế chặt (trong phạm vi 2 giờ như với đất gia cố xi măng) [8]

2.3.5 Độ ẩm

Khi mẫu đất gia cố đạt độ ẩm tối ưu thì cường độ mẫu đạt giá trị cao nhất Nước trong hỗn hợp đóng vai trò là chất xúc tác phản ứng hóa học, ảnh hưởng hình thành cường độ mẫu đất sau khi gia cố [8]

Mẫu đất gia cố vôi được hình thành do cả nguyên nhân từ phản ứng silicat hoá (tạo ra hidro silicat canxi như trên đã nói) nên có thể xem đó là một vật liệu biến ứng trong nước, vì vậy để hình thành cường độ tốt thì cần có môi trường ẩm và việc bảo dưỡng ẩm sau khi gia cố có vai trò quan trọng giúp đất gia cố vôi tăng nhanh cường độ Hiệu quả bảo dưỡng ẩm thể hiện rõ qua hình sau: [8]

Hình 2.16: Ảnh hưởng của độ ẩm đến cường độ đất gia cố vôi [8] 1.Bảo dưỡng ẩm

2.Bảo dưỡng không khí

2.3.6 Nhiệt độ môi trường

Nhiệt độ môi trường càng cao, sự hình thành cường độ diễn ra càng nhanh với mẫu đất gia cố vôi Ở môi trường nhiệt độ ẩm, đất gia cố vôi ngừng phát triển cường độ Theo công thức quan hệ (2.11) thì cường độ mẫu tăng theo thời gian khi nhiệt độ dương [8]

2.3.7 Tác dụng của xe chạy

Đối với lớp kết cấu đất gia cố vôi, nếu chịu một áp lực bánh xe truyền xuống không vượt quá cường độ chịu kéo - uốn giới hạn thì số lần tác dụng của xe chạy lại có lợi như tác dụng đầm nén thêm (làm tăng thêm độ chặt đất gia cố vôi), tạo điều kiện cho đất và vôi tiếp xúc chặt, tạo điều kiện phân đều độ ẩm, phản ứng hoá học giữa đất và vôi được nhanh hơn Kết quả là cường độ vôi tăng như kết quả quan trắc được ở hình 2.17 (mẫu đất gia cố vôi lấy ở phạm vi làn xe chạy có số lần tác dụng trùng phục nhiều nhất) [8]

2.4 Tổng quan các nghiên cứu và ứng dụng đất gia cố trong và ngoài nước

2.4.1 Trong nước

“Nghiên cứu công nghệ xây dựng đường giao thông bằng đất tại chỗ gia cố chất kết dính: xi măng, Roadcem, tro bay, tro xỉ” của Nguyễn Quốc Dũng và nhóm nghiên cứu Đất gia cố xi măng và Roadcem được nghiên cứu trong công trình đường GTNT Tác giả đã thí nghiệm lựa chọn cấp phối với tỷ lệ giữa đất, xi măng và Roadcem là 160kg/m3 và 1,4kg/m3 trong 1m3 khối đất Kết quả cường độ chịu nén Rn28 = 2,0MPa; cường độ kéo uốn Rku28 = 0,8Mpa; mô đun đàn hồi E28 = 350Mpa Công trình đạt yêu cầu cần thiết, quy định tại tiêu chuẩn TCVN 10379-2014 [15]

“Nghiên cứu đánh giá việc kết hợp xi măng và tro bay để gia cố đất dùng làm móng đường ô tô tại Cần Thơ” Đất á cát tại Cần Thơ gia cố với các tỷ lệ: 6%, 8%, 10%, 12% XM và 6%XM+2%TB, 8%XM+2%TB Kết quả thí nghiệm gồm: cường độ chịu nén (Rn), cường độ ép chẻ (Rech) và mô đun đàn hồi (E) sử dụng mẫu có kích thước DxH = 10,16x11,7cm 144 mẫu đất gia cố được bảo dưỡng và thí

nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý của mẫu Khi dùng XM kết hợp với TB thì đặc trưng cơ học của đất gia cố ở 28 ngày càng tăng Ở 28 ngày tuổi khi gia cố từ 6-12% XM

thì Rn tăng từ 2-6% (ở chế độ ngâm bão hòa) và tăng từ 1-7% (ở chế độ dưỡng ẩm), Rech tăng 25-71%, E tăng 4-5% so với 14 ngày tuổi (ở chế độ ngâm bão hòa) Tuy nhiên, khi sử dụng TB từ 20-25% trong thành phần chất kết dính vô cơ thì Rn ở 28 ngày tuổi tăng từ 13-27% (ở chế độ ngâm bão hòa) và tăng từ 8-20% (ở chế độ dưỡng mẫu) so với ở 14 ngày tuổi [16]

“Ứng xử đất An Giang trộn xi măng phục vụ xây dựng đường giao thông nông thôn cho xe tải nhẹ” lấy đất sét, đất cát được lấy ở độ sâu 0,1 ÷ 0,6m ở gần tim đường và dọc theo chiều dài tuyến đường nông thôn ở P Mỹ Hòa, An Giang Các mẫu đất trộn xi măng được chế tạo dạng lăng trụ trong khuôn nhựa PVC có tỉ số giữa chiều cao và đường kính ≥ 2 Kích thước khuôn 120±2mm chiều cao và 55±2mm đường kính, và được cố định bằng 2-3 vòng kẹp bằng thép Mẫu được chuẩn bị trong phòng với hàm lượng xi măng 5%, 7.5%, 10%, 12.5% và 15% và được đầm chặt, mẫu được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng Các tổ hợp mẫu được nén ở các ngày tuổi 7, 10, 14, 21, 25, 28, 34, 45, 60, 90, 104, 108, 110 Kết quả đạt được với đất sét ở độ ẩm gia cường lên 40% và 21 ngày tuổi, thì sức kháng nén và mô đun biến dạng tăng 13 và 49 lần tương ứng với hàm lượng xi măng 10%; 16 và 123 lần tương tự với xi măng 12.5% và 17 và 132 lần ở hàm lượng xi măng 15% Đất sét có cường độ tăng chậm khi tăng lượng xi măng lên đến 15%; với đất cát thì cường độ tăng đáng kể với độ tăng hàm lượng xi măng Cường độ mẫu tăng theo thời gian bảo dưỡng: đất sét ở cùng một độ ẩm 40% và hàm lượng xi măng 10%, cường độ phát triển nhanh trong thời gian đầu bảo dưỡng 7-14 ngày là 103% và tăng không đáng kể từ 14-21 ngày là 18%; đối với đất cát cũng cho kết quả khả quan với thời gian bảo dưỡng lâu thì cường độ hỗn hợp đất sau khi gia cố càng cao [17]

“Một số kết quả nghiên cứu gia cố vật liệu đất tại chỗ bằng xi măng tro bay làm móng trong kết cấu áo đường tại tỉnh Tây Ninh” của Nguyễn Mạnh Thủy, Vũ Đức Tuấn 6 tổ hợp mẫu được lựa chọn gồm: đất sét pha trạng thái nửa cứng đến cứng, được lấy ở độ sâu từ 0.5 đến 1.5m Tác giả tiến hành trộn mẫu đất với xi măng và tro bay, được chọn lần lượt là 4, 6, 8% so với khối lượng đất khô, độ ẩm khi trộn là độ ẩm tối ưu Quá trình đầm nèn và thí nghiệm tại các tuổi mẫu 7, 14, 28

và 28 ngày sau khi ngâm nước 4 ngày Với hàm lượng xi măng tro bay đạt 8% tại thời điểm bảo dưỡng 28 ngày, cường độ chịu nén tăng 3,2 lần, cường độ ép chẻ tăng 4,7 lần và mô đun biến dạng tăng 2,5 lần với mẫu đất chưa gia cố Đối với mẫu gia cố 4% xi măng tro bay, sau khi bảo dưỡng 28 ngày và ngâm bảo hòa nước 4 ngày thì cường độ chịu nén giảm 10.46%, độ bền ép chẻ giảm 10% và mô đun biến dạng giảm 10.5% so với mẫu bảo dưỡng 28 ngày Tác giả chỉ thời tiết ảnh hưởng đến các mẫu sau khi bảo dưỡng 28 ngày đem ngâm bão hòa - sấy khô 5 và 12 chu kỳ, các kết quả cho tổn thất không lớn về cường độ [18]

2.4.2 Thế giới

Liên quan đến ảnh hưởng của phụ gia styrene butadien vào đất gia cố xi măng, Mojtaba Shojaei Baghini và cộng sự [19] đã xác định mối quan hệ độ ẩm và khối lượng thể tích khô qua các thí nghiệm như: đầm nén tiêu chuẩn, cường độ chịu nén nở hông (UCS), kéo gián tiếp (ITS), mô đun đàn hồi (ITRM), cường độ chịu kéo khi uốn (FS) và giá trị U-CBR Mẫu đem thí nghiệm được đúc và bảo dưỡng trong 7, 28, 60 ngày và tiến hành đưa thí nghiệm Kết quả thu được mẫu đạt độ ẩm tối ưu thì khối lượng thể tích khô tăng 0.25% khi tăng 1% xi măng được thêm vào mẫu; khi thêm phụ gia styrene butadien (5%-10%) kết hợp lượng xi măng cho vào chiếm 4% thì khối lượng thể tích khô tăng tối đa và phụ gia styrene butadien chiếm 8% Kết quả các thí nghiệm UCS, ITS, ITRM, FS và U-CBR tăng lần lượt là 94,5%; 97%; 56%; 81,5%; 42,5% so với việc trộn mẫu 4% xi măng với đất thông thường [19]

Khảo sát sự ảnh hưởng của đất sét gia cố xi măng bởi S.Sasanian và

T.A.Newson [20] đã tiến hành khảo sát đất sét được xử lý bằng xi măng chịu ảnh hưởng các thông số như: thời gian ninh kết, hàm lượng xi măng, độ ẩm và các khoáng vật Kết quả thí nghiệm cho thấy sức chống cắt không thoát nước và độ nhạy của đất sét trộn xi măng vẫn tiếp tục tăng theo thời gian ninh kết kéo dài [20]

Một nghiên cứu về đất sét gia cố của Khelifa Harichane, Mohammed Ghrici, Said Kenai, [21] nghiên cứu thực hiện 2 loại đất là: đất sét mềm và đất sét cứng, để đối chứng với nhau bằng việc kết hợp pozzolana và vôi, để tăng cường độ đất nền

với tỷ lệ tương ứng từ 0-10% pozzolana và 0-20% vôi và được bảo dưỡng trong thời gian quy định 1, 7, 28, 90 ngày Thí nghiệm đã chọn ra 24 tổ hợp với tỷ lệ 0%, 10%, 20% pozzolana tương ứng với 0%, 4%, 8%, 10% vôi Mẫu đất sét mềm có độ ẩm giảm và khối lượng thể tích khô tăng khi lượng pozzolana tăng; đất sét cứng có độ ẩm tăng khi lượng pozzolana tăng theo một ngưỡng nhất định sau đó giảm dần Cường độ nén nở hông của 2 loại đất tăng lên cùng với sự gia tăng hàm lượng vôi đến 10%, đất sét mềm cho cường độ cao hơn đất sét cứng với 3,6Mpa và sau 90 ngày bảo dưỡng thì cường độ tăng gấp 38 lần so với đất không được gia cố Với mẫu được đúc với hỗn hợp 10% pozzolana, 4% vôi cho loại đất sét mềm, đất sét cứng làm tăng cường độ đất nền lên lần lượt là 34 và 14 lần Cường độ nén tăng lên với sự gia tăng về độ tuổi, vôi – pozzolana tạo ra cường độ cao hơn là đơn thuần sử dụng 1 loại gia cố bằng pozzolana hay vôi

Viện Hàn lâm Khoa học ở Washington [22] đề cập xử lý đất gia cố bởi: xi măng, vôi, tro bay Bài báo mô tả và so sánh các phản ứng cơ bản xảy ra giữa các chất ổn định này với đất và các cơ chế dẫn đến sự ổn định Sau đó, tác giả cũng đưa ra lựa chọn chất kết dính phù hợp từng loại đất để gia cố, thiết kế hỗn hợp xác định hàm lượng chất kết dính được đưa vào gia cố đất Dựa trên chỉ số dẻo Ip trong đất, tác giả đưa ra 3 phương pháp gia cố đất như sau:

Hình 2.18: Lựa chọn chất kết dính để gia cố đất [22]

Các kết quả cho thấy việc ứng dựng công nghệ gia cố đất làm kết cấu nền mặt đường là cần thiết, mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật Tuy nhiên các loại đất trên đa số là đất tốt, chưa khảo sát cho đất bùn sét, đất có độ ẩm rất cao

Theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014 thì không nên dùng loại đất có chỉ số dẻo Ip lớn hơn 27 Tiêu chuẩn Anh thì chỉ nên gia cố với xi măng loại đất có chỉ số dẻo từ 20 trở xuống, còn theo tiêu chuẩn Trung Quốc quy định chỉ số dẻo phải dưới 17 Nếu đất càng nhiều sét và có cấp phối hạt không tốt thì càng tốn xi măng, tốn công làm nhỏ, khó trộn đều và dễ phát sinh nứt Đất nhiều mùn hữu cơ (tỷ lệ hữu cơ chiếm trên 2%) và có độ pH < 6 thì không nên gia cố với xi măng vì môi trường axit không có lợi cho sự biến cứng của xi măng [8] Nhưng các giả thiết đưa ra là chưa có căn cứ khi một số nghiên cứu vẫn đang được thực hiện các loại đất

Đề tài tập trung nghiên cứu đất bùn sét tại Cà Mau (có chỉ số 15≤Ip≤35) gia cố mẫu đất bằng (vôi, xi măng) để thiết kế lớp móng dưới trong xây dựng kết cấu nền đường