Luận án tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu gia cố cấu trúc đất bùn sét theo công nghệ Geopolymer để cải tạo nền đất yếu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Trần Văn Thu

ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Công trình xây dựng trên nền đất yếu thường phải đối mặt với nhiều vấn đề như sức chịu tải của nền thấp và độ lún kéo dài theo thời gian Đây là vấn đề nan giải với các kỹ sư xây dựng và cần có biện pháp khắc phục tận gốc vấn đề Nguyên nhân của vấn đề trên là do đặc điểm cấu tạo và cấu trúc của đất yếu Một trong những loại đất yếu phổ biến là đất bùn sét, chúng được cấu tạo chủ yếu bởi các thành phần hạt sét có đường kính dưới 2m, liên kết khá lỏng lẻo với độ rỗng lớn Để cải tạo loại đất yếu trên thành loại đất tốt hơn trong lĩnh vực xây dựng: có khả năng tạo ra sức chịu tải lớn với độ lún nhỏ, cần có biện pháp thay đổi làm cho cấu trúc của đất trở nên đặc chắc hơn, liên kết giữa các hạt chặt chẽ hơn Giải pháp hiện đang được thực hiện rộng rãi để đạt được mục tiêu này là sử dụng chất liên kết là xi măng để trộn với đất yếu Phương pháp cọc đất trộn xi măng là điển hình cho giải pháp trên, đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế xây dựng

Gần đây công nghệ vật liệu chất kết dính có tiến bộ vượt bậc, ngoài chất kết dính là xi măng pooc lăng được sử dụng phổ biến trong xây dựng, người ta còn phát triển một loại chất kết dính mới, được mệnh danh là bê tông của thế kỷ 21 đó chính là chất kết dính dựa trên nền tảng công nghệ geopolymer Cơ sở khoa học của công nghệ này là dựa trên

phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm có

độ bền và cường độ cao Nguồn vật liệu aluminosilicate ban đầu có nhiều trong tro bay, đất sét.Trong đó, tro bay hay tro xỉ nói chung là một chất phế phẩm của các nhà máy nhiệt điện đốt than đang được xây dựng nhiều ở Việt nam những năm gần đây và là một nguồn ô nhiễm môi trường đáng báo động

Mục tiêu của luận án này là tận dụng nguồn phế thải tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện đốt than để gia cường cấu trúc của đất sét yếu dựa trên công nghệ geopolymer để đạt mục tiêu kép là xử lý nền đất yếu trong công trình xây dựng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do giảm nguồn phế thải tro xỉ Đất yếu sau khi được xử lý có thể sử dụng làm nền công trình hoặc sử dụng như một loại vật liệu hữu ích để làm nền đắp, các bộ phận cấu tạo đường ô tô, các bộ phận cấu tạo hữu ích trong xây dựng công trình ngầm

iii

Tiến hành thí nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường về sự hình thành và phát triển cường độ của geopolymer tổng hợp từ nguồn tro bay tại nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân và đất sét yếu tại thành phố Hồ Chí Minh trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thường Cường độ chịu nén nở hông đạt được trong phòng thí nghiệm qu= 48,1 daN/cm2 ứng với hàm lượng tro bay sử dụng là 40% , tỷ lệ dung dịch chất hoạt hóa chiếm 40% khối lượng chất rắn và nồng độ dung dịch NaOH là 10 mol/l Mô đun đàn hồi đạt được khi đó E50

=3209 daN/cm2 Cường độ nén nở hông đạt được ngoài hiện trường qu= 34,7 daN/cm2, ứng với hàm lượng tro bay sử dụng là 40%, tỷ lệ dung dịch chất hoạt hóa chiếm 40% khối lượng chất rắn và nồng độ dung dịch NaOH là 10 mol/l Giá trị cường độ nén lớn nhất thu được lớn gấp 151 lần cường độ chịu nén ban đầu của đất khi chưa xử lý Mô đun đàn hồi lớn nhất đạt được khi đó E50 = 1663,5 daN/cm2 = 166,3 MPa (trong điều kiện lấy mẫu hiện trường về dưỡng hộ khô) Khi sử dụng các phương tiện thi công sẵn có hiện nay để đào đất, trộn bê tông để thi công hỗn hợp geopolymer từ đất yếu tại thành phố Hồ Chí Minh, tro bay Vĩnh Tân, dưỡng hộ trong điều kiện tự nhiên với đất nền xung quanh có độ ẩm cao, mô đun đàn hồi của vật liệu geopolymer có thể đạt được E = 637 daN/cm2 , bằng khoảng 20% giá trị mô đun đàn hồi lớn nhất đạt được trong điều kiện thí nghiệm trong phòng, với cùng cấp phối vật liệu

Kết quả phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn khẳng định việc sử dụng đệm geopolymer, cột geopolymer bằng vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất yếu và tro bay góp phần giảm đáng kể độ lún và chuyển vị ngang của nền đắp trên đất yếu Khi sử dụng vật liệu geopolymer đắp sau lưng tường hầm, làm giảm đáng kể áp lực đất lên tường, đồng thời giảm nội lực lên tường

Với các cơ sở khoa học trình bày trong luận án, kết hợp với kết quả thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm mô hình tại hiện trường cho thấy khả năng ứng dụng giải pháp xử lý nền đất yếu bằng tro bay dựa trên công nghệ geopolymer mang lại hiệu quả cao về kỹ thuật, kinh tế và môi trường, giải quyết triệt để những hiện tượng bất lợi khi xây dựng công trình trên đất yếu, do đã thay đổi được cấu trúc của đất yếu và làm cho đất yếu trở thành đất có các đặc tính xây dựng tốt hơn

iv

ABSTRACT

Constructions on soft ground often face many problems such as low load capacity of the foundation and prolonged settlement over time This is a difficult problem for construction engineers and needs to take measures to overcome the problem The cause of the above problem is the structural and structural characteristics of soft soil One of the most popular soft soil types is clayey mud, which is composed mainly of clay particles less than 2m in diameter, loosely linked with large porosity To improve the above soft soil to a better soil type in the construction sector: capable of creating a large load capacity with small subsidence, it is necessary to take measures to change the soil structure to become more dense, bonding between particles is tighter The currently widely implemented solution to achieve this goal is to use a cementitious binder to mix with soft soil The cement-mixed soil pile method is typical of the above solution, which has been widely used in construction practice

Recently, the technology of adhesive materials has made great progress, in addition to the cementitious Portland cement that is commonly used in construction, a new type of adhesive has been developed, dubbed the calf Cardboard of the 21st century is an adhesive based on geopolymer technology The scientific basis of this technology is based on the reaction of aluminosilicate materials in an alkaline environment to produce products with high strength and durability The original source of aluminosilicate material was abundant in fly ash, clay, in which fly ash or ash, in general, was a waste product of coal-fired thermal power plants that are being built in many recent years and is an alarming source of environmental pollution

The goal of this thesis is to utilize the ash and slag waste of coal-fired thermal power plants to reinforce the structure of soft clay based on geopolymer technology to achieve the dual goal of treating soft ground in the building building and minimizing environmental pollution due to reducing waste ash and slag The treated soft soil can be used as a building foundation or used as a useful material for embankment, road construction parts, useful structural parts in public construction implicit submission

v

Conducted laboratory and field experiments on the formation and intensity development of geopolymer synthesized from fly ash sources at Vinh Tan thermal power plant and soft clay in Ho Chi Minh City under temperature conditions and normal pressure The compressive strength is not achieved in the laboratory qu = 48.1 daN/cm2 corresponding to the amount of fly ash used is 40%, the rate of activator solution accounts for 40% of solids weight and concentration of the solution NaOH solution is 10 mol/l The obtained elastic modulus is then E50 = 3209 daN/cm2 The compressive strength achieved in the field qu = 34.7 daN/cm2, corresponding to the amount of fly ash used is 40%, the rate of activator solution accounts for 40% of solids weight and concentration of the solution NaOH is 10 mol/l The value of maximum compressive strength obtained is 151 times higher than the initial compressive strength of the soil without treatment The maximum elastic modulus is then obtained, E50 = 1663.5 daN/cm2 = 166.3 MPa (under field sampling for dry curing) When using existing construction facilities to dig soil, mix concrete to construct geopolymer mixture from soft soil in Ho Chi Minh city, Vinh Tan fly ash, curing in natural conditions for the surrounding soil with high humidity, the elastic modulus of the geopolymer material can reach E = 637 daN/cm2, which is about 20% of the maximum elastic modulus value obtained under laboratory conditions , with the same material mix

The results of analysis by the finite element method confirm that the use of geotechnical buffers, geotechnical columns made of geopolymer materials synthesized from soft soil and fly ash contributes significantly to reduce settlement and horizontal displacement of the ground fill on soft soil When using geopolymer material placed behind the tunnel wall, it significantly reduces soil pressure on the wall, and at the same time reduces internal force on the wall

With the scientific basis presented in the dissertation, combined with the results of laboratory experiments and field modeling experiments, it shows the applicability of soft soil treatment solution with fly ash based on geopolymer technology bring high efficiency and completely solve adverse phenomena when constructing structures on soft soil, changing the structure of soft soil and making soft soil become soil with better building properties

vi

LỜI CÁM ƠN

Luận án được thực hiện với sự hướng dẫn tận tâm và tận tình của PGS TS Châu Ngọc Ẩn, PGS TS Nguyễn Văn Chánh Cùng với sự chỉ dẫn và giúp đỡ của PGS TS Nguyễn Minh Tâm, PGS TS Lê Bá Vinh, PGS TS Võ Phán, PGS TS Bùi Trường Sơn, TS Lê Trọng Nghĩa, TS Đỗ Thanh Hải, TS Lại Văn Qúi Luận án được sự giúp đỡ của Bộ môn Địa cơ – Nền Móng, Khoa kỹ thuật Xây dựng, Phòng Thí nghiệm Kiểm định Công trình LAS XD 313 Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Xin chân thành cảm ơn những hướng dẫn, chỉ dẫn, giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án này

Nghiên cứu sinh xin chân thành ghi nhớ những công ơn này và sẽ cố gắng hơn nữa để nâng cao tri thức và đạo đức để phục vụ tốt cho sự nghiệp giáo dục

vii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT xiv

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1

2 Mục đích nghiên cứu 3

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

4 Phương pháp nghiên cứu 4

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

6 Cấu trúc của luận án 5

7 Những đóng góp mới của luận án 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN VÀ NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ GEOPOLYMER TỔNG HỢP TỪ TRO BAY VÀ ĐẤT SÉT 7

1.1 Tổng quan về đất yếu và các giải pháp gia cố nền 7

1.1.1 Khái niệm về đất yếu 7

1.1.2 Mục tiêu của các công nghệ xử lý nền đất yếu 7

1.1.3 Các công nghệ xử lý nền đất yếu 8

1.2 Những nghiên cứu về geopolymer tổng hợp từ tro bay và đất sét sử dụng để làm nền đắp và gia cố nền 10

1.2.1 Khái quát về sự phát triển của vật liệu geopolymer 10

1.2.2 Những nghiên cứu về geopolymer tổng hợp từ đất sét và tro bay 13

1.3 Nhận xét về những nghiên cứu trước, đề xuất hướng nghiên cứu của đề tài luận án 26

1.3.1 Nhận xét về những kết quả nghiên cứu đã công bố 26

1.3.2 Đề xuất hướng nghiên cứu của đề tài luận án 26

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ GEOPOLYMER ĐỂ CẢI THIỆN TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT YẾU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CỐ NỀN BẰNG ĐỆM VÀ CỘT GEOPOLYMER 28

2.1 Cơ sở khoa học của công nghệ geopolymer 28

2.1.1 Khái niệm về công nghệ geopolymer 28

2.1.2 Cấu trúc phân tử của geopolymer 28

viii

2.1.3 Cơ chế hóa học của công nghệ geopolymer 31

2.1.4 Quá trình đóng rắn của geopolymer 34

2.1.5 Tính chất và ứng dụng của vật liệu geopolymer 38

2.2 Cơ sở khoa học của vấn đề cải thiện đặc tính xây dựng của đất yếu 40

2.2.1 Đặc điểm và thành phần hóa học của đất yếu 40

2.2.2 Đặc điểm và thành phần hóa học của tro bay 43

2.2.3 Cơ sở lý thuyết và quá trình hình thành cường độ của đất trộn tro bay 45

2.2.4 Xác định các thông số về cường độ đất gia cố bằng thực nghiệm 51

2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán gia cố nền bằng đệm geopolymer và cột geopolymer 55

2.3.1 Cơ sở lý thuyết tính toán đệm geopolymer 55

2.3.2 Cơ sở lý thuyết tính toán cột geopolymer 57

2.4 Kết luận chương 61

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG VẬT LIỆU GEOPOLYMER TỔNG HỢP TỪ ĐẤT YẾU TẠI CHỖ KẾT HỢP VỚI TRO BAY ĐỂ LÀM VẬT LIỆU ĐẮP VÀ GIA CỐ NỀN 63

3.1 Đặt vấn đề 63

3.2 Nguyên liệu ban đầu để tổng hợp geopolymer 63

3.2.1 Tro bay 63

3.2.2 Đất sét 64

3.2.3 Dung dịch chất hoạt hóa kiềm 65

3.3 Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá tính chất của geopolymer tổng hợp từ tro bay và đất sét 65

3.3.1 Tiến hành nghiên cứu trong phòng thí nghiệm 65

3.3.2 Tiến hành nghiên cứu ngoài hiện trường 74

3.3.3 Kết luận phần thí nghiệm hiện trường 83

4.3.2 Đặc điểm tính toán kết cấu nền đường đắp 94

4.4 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để đánh giá hiệu quả của phương pháp gia cố nền sử dụng vật liệu geopolymer 95

4.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp đệm geopolymer đến sự làm việc của nền đắp 96

4.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của việc sử dụng cột geopolymer đến sự làm việc của nền đắp 100

4.5 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và giải tích đánh giá việc ứng dụng vật liệu geopolymer trong xây dựng công trình ngầm 103

4.5.1 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn đánh giá việc ứng dụng vật liệu geopolymer trong xây dựng công trình ngầm 105

4.5.2 Sử dụng phương pháp giải tích đánh giá việc ứng dụng vật liệu geopolymer trong xây dựng công trình ngầm 109

4.6 Kết luận 113

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 115

1 Kết luận 115

2 Kiến nghị 116

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

PHỤ LỤC 125

x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cột geopolymer được tạo bằng cách khoan phụt vữa geopolymer trong đất

14

Hình 1.2: Ảnh của hàm lượng NaOH và hàm lượng cát độn đến cường độ chịu nén 18

Hình 1.3: Ảnh của nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ chịu nén 19

Hình 1.4: Ảnh của thời gian và điều kiện dưỡng hộ đến cường độ chịu nén 19

Hình 1.5: Sự phát triển của cường độ nén của đất bùn cát Lanton (Anh Quốc) với các phương án xử lý khác nhau 20

Hình 2.1: Cấu trúc Sialate 29

Hình 2.2: Cấu trúc Sialate-siloxo 30

Hình 2.3: Cấu trúc Sialate – disiloxo 30

Hình 2.4: Cấu trúc Sialate- link 31

Hình 2.5: Mô hình quá trình hoạt hóa của dung dịch kiềm Alkali đối với tro bay 33

Hình 2.6: Quá trình geopolymer hóa 38

Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc mang điện phức tạp của các hạt sét - keo 48

Hình 2.8: Sơ đồ phương pháp xác định qu bằng thí nghiệm một trục nở hông tự do 52

Hình 2.9: Sơ đồ phương pháp xác định E bằng thí nghiệm nén trong phòng 53

Hình 2.10: Sơ đồ gia cố nền bằng lớp đệm geopolymer 55

Hình 2.11: Dạng phá hoại của cọc xi măng đất 58

xi

Hình 3.7: Quan hệ giữa cường độ chịu nén và dung trọng của geopolymer 70

Hình 3.8: Ảnh hưởng của nông độ dung dịch hoạt hóa kiềm đến mô đun đàn hồi khi hàm lượng tro bay là 0% 70

Hình 3.9: Ảnh hưởng của nông độ dung dịch hoạt hóa kiềm đến mô đun đàn hồi khi hàm lượng tro bay là 20% 71

Hình 3.10: Ảnh hưởng của nông độ dung dịch hoạt hóa kiềm đến mô đun đàn hồi khi hàm lượng tro bay là 40% 71

Hình 3.11: Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay và thới gian dưỡng hộ đến mô đun đàn hồi khi nồng độ dung dịch là 10mol/l 72

Hình 3.12: Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và dung trọng của vật liệu geopolymer 73

Hình 3.13: Mặt bằng vị trí thi công lớp đệm geopolymer tại hiện trường 75

Hình 3.14: Vị trí phần đất yếu xử lý bằng công nghệ geopolymer trên mặt cắt ngang 75Hình 3.15: Vị trí phần đất yếu xử lý bằng công nghệ geopolymer trên mặt cắt dọc 76

Hình 3.16: Mẫu geopolymer sau 7 ngày dưỡng hộ 78

Hình 3.17: Mẫu geopolymer bị phá hoại trong thí nghiệm nén nở hông 78

Hình 3.18: Đường cong nén của mẫu geopolymer sau 28 ngày dưỡng hộ 79

Hình 3.19: Biểu đồ quan hệ áp lực nén – độ võng đàn hồi ( điểm đo 1) 80

Hình 3.20: Biểu đồ quan hệ áp lực nén – độ võng đàn hồi ( điểm đo 2) 81

Hình 3.21: Biểu đồ quan hệ áp lực nén – độ võng đàn hồi ( điểm đo 3) 82

Hình 3.22: Biểu đồ quan hệ áp lực nén – độ võng đàn hồi ( điểm đo 4) 83

Hình 4.1: Sơ đồ tính toán áp lực đất lên công trình chôn sâu theo K Terzaghi 87

Hình 4.2: Sơ đồ bài toán đất đắp nhiều lớp 88

Hình 4.3: Sơ đồ tính áp lực đất chủ động và áp lực nước lên tầng hầm dẫn theo phương pháp giải tích 90

Hình 4.4: Sơ đồ các tầng, lớp của kết cấu áo đường mềm và kết cấu nền-áo đường 92

Hình 4.5: Sơ đồ minh họa cấu tạo và sự làm việc của các lớp mặt đường mềm 92

Hình 4.6: Sơ đồ nền đắp trên đất yếu 96

Hình 4.7: Sơ đồ gia cố đất yếu dày 18m đệm geopolymer 2m 97

Hình 4.8: Quan hệ giữa độ lún tại tim nền đắp với chiều dày lớp đệm 97

Hình 4.9: Quan hệ giữa chuyển vị ngang tại chân taluy nền đắp với chiều dày lớp đệm ……… 98

Hình 4.10: Kết quả tính toán chuyển vị của nền đắp 98

Hình 4.11: Sơ đồ trường hợp gia cố đất yếu dày 4m đệm geopolymer 1m 99

Hình 4.22: Chuyển vị tổng của kết cấu hầm dẫn TH1 107

Hình 4.23: Mô men trên hầm dẫn TH1 107

Hình 4.24: Chuyển vị tổng của hầm dẫn TH2 108

Hình 4.25: Chuyển vị tổng của kết cấu hầm dẫn TH2 108

Hình 4.26: Mô men trên hầm dẫn TH2 109

Hình 4.27 Sơ đồ tính áp lực đất và áp lực nước tác dụng lên hầm dẫn 110

Hình 4.28: Ảnh hưởng của chiều rộng khối geopolymer đến áp lực đất chủ động theo phương pháp giải tích 112

Hình 4.29: Ảnh hưởng của chiều rộng khối geopolymer đến mô men trên tường hầm dẫn theo phương pháp giải tích 113

xiii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Mốc thời gian chính về sự phát triển của vật liệu geopolymer 11

Bảng 2.1 Đặc tính và ứng dụng của geopolymer 39

Bảng 2.2 Công thức hóa học của khoáng vật sét 40

Bảng 2.3 Kết quả phân tích thành phần hóa học của bùn sét tại Tp Hồ Chí Minh 41

Bảng 2.4 Thành phần hóa học của đất bùn sét 41

Bảng 2.5 Thành phần hóa học của đất bùn sét pha 42

Bảng 2.6 Dự báo khối lượng tro bay và xỉ ở Việt Nam 43

Bảng 2.7 Thành phần hóa học của tro bay tại một số nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam 44

Bảng 2.8 Thành phần ôxít chính của tro bay so sánh với xi măng 51

Bảng 3.1 Kết quả phân tích thành phần hóa học, hàm lượng (%) của tro bay 64

Bảng 3.2 Thành phần hóa học yêu cầu của tro bay 64

Bảng 3.3 Kết quả phân tích thành phần hóa học, hàm lượng (%) của đất sét 65

Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén và dung trọng của vật liệu geopolymer 70

Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm mô dunđàn hồi và dung trọng của vật liệu geopolymer 73 Bảng 3.6 Các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất thí nghiệm 77

Bảng 3.7 Kết quả thí nghiệm đo mô đun đàn hồi tại hiện trường (điểm đo 1) 80

Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm đo mô đun đàn hồi tại hiện trường (điểm đo 2) 81

Bảng 3.9 Kết quả thí nghiệm đo mô đun đàn hồi tại hiện trường (điểm đo 3) 82

Bảng 3.10 Kết quả thí nghiệm đo mô đun đàn hồi tại hiện trường (điểm đo ) 83

Bảng 4.1 Các thông số đầu vào khi sử dụng phần mềm Plaxis 96

Bảng 4.2 Các thông số đầu vào khi sử dụng phần mềm Plaxis 105

Bảng 4.3 Các thông số đầu vào khi sử dụng phần mềm Plaxis 106

Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả tính toán 109

Bảng 4.5 Kết quả tính toán áp lực đất chủ động theo phương pháp giải tích 112

Bảng 4.6 Kết quả tính toán mô men trên tường hầm dẫn theo phương pháp giải tích 112

xiv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

CÁC KÝ HIỆU

 (% ) Độ biến dạng tương đối dọc trục

 (g/cm3) Khối lượng thể tích của đất

kN/m3 Trọng lượng riêng của đất đắp

1, 3 kN/m2 Ứng suất chính lớn nhất, nhỏ nhất a kN/m2 Ứng suất cắt hoạt động

ax kN/m2 Ứng suất cắt hoạt động lớn nhất do tải trọng xe chạy gây ra trong nền đất, hoặc lớp vật liệu kém dính

av kN/m2 Ứng suất cắt chủ động do trọng lượng bản thên các lớp vật liệu nằm trên gây ra

K’ Hệ số tổng hợp, xét đến đặc điểm của kết cấu và điều kiện làm việc của áo đường

Ech kN/m2 Mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu mặt đường Eyc kN/m2 Mô đun đàn hồi yêu cầu của áo đường

P kN/m2 Áp suất của bánh xe tính toán trên mặt đường

D cm Đường kính vòng tròn tương đương diện tích vệt bánh xe trên mặt đường

x, y, z kN/m2 Ứng suất pháp tuyến theo phương x, y và z

max, gh kN/m2 Ứng suất tiếp tuyến cực đại, ứng suất tiếp tuyến giới hạn xy, xz, yz kN/m2 Ứng suất tiếp tuyến trong mặt phẳng (xy), (xz) và (yz)

E50 kN/m2 Mô đun đàn hồi E50: bằng độ dốc của đường cát tuyến nối điểm gốc tọa độ có ứng suất dọc trục bằng 0 tới điểm có ứng suất bằng 50% cường độ nén qu nằmtrên đường cong ứng

xv w kN/m2 Áp lực nước thủy tĩnh

q kN/m2 Tải trọng phân bố đều trên bề mặt qu kN/m2 Cường độ chịu nén của lớp đất Su kN/m2 Sức kháng cắt không thoát nước

Cu kN/m2 Lực dính không thoát nước của đất nền Eb kN/m2 Mô đun đàn hồi của bê tông

Rb kN/m2 Cường độ nén của bê tông

Rn kN/m2 Cường độ chịu nén của geopolymer E kN/m2 Mô đun đàn hồi của geopolymer Rk kN/m2 Cường độ chịu kéo của geopolymer Rku kN/m2 Cường độ chịu kéo-uốn của geopolymer CBR % Chỉ số CBR (California Bearing Ratio)

CÁC TỪ VIẾT TẮT

ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long

FEM Finite Element Method (Phương pháp phần tử hữu hạn) BTCT Bê tông cốt thép

TPHCM Thành phố Hồ Chí Minh

MK-GP geopolymer tổng hợp từ metakaolin RM-GP geopolymer tổng hợp từ bùn đỏ và tro bay GGBS Xỉ nghiền mịn

GGBFS Xỉ lò cao

SEM Phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét GMDH Phương pháp xử lý dữ liệu nhóm

UCS Cường độ nén nở hông tự do

EDX Quang phổ phân tán năng lượng tia X XRD Kỹ thuật nhiễu xạ tia X

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Đất yếu không thích hợp để sử dụng làm vật liệu đắp nền đường, nền kho bãi bởi vì đất yếu thường có cấp phối hạt mịn lớn, chỉ số dẻo cao, dễ thay đổi trạng thái rắn-mềm do độ ẩm, nên sức chịu tải giảm thấp khi bị ngập hoặc mưa nhiều Đất yếu phân bố trên một số khu vực rộng lớn ở Việt nam như khu vực Đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long Các khu vực này có mật độ dân cư khá cao trong khi hệ thống hạ tầng lại kém phát triển Việc xây dựng các tuyến đường, đặc biệt đường cao tốc trong những khu vực nêu trên trong thời gian qua đang đặt ra nhiều vấn đề cấp bách Do địa hình thấp, địa chất yếu nên khối lượng đất đắp nền đường thường rất lớn, khối lượng đất yếu phải đào bỏ thay thế bằng đất tốt hơn cũng rất nhiều, nếu không tuổi thọ của đường sẽ giảm hoặc phải duy tu nhiều Hơn nữa, nếu sử dụng đất rời phổ biến như ở nước ta hiện nay để đắp đường thì nguồn cát đắp này sẽ mau chóng cạn kiệt

Đối với phần nền đắp hiện chưa có nhiều công trình cải thiện đất yếu tại chỗ sử dụng làm vật liệu đắp, thay vào đó người ta sử dụng đất rời hoặc những đất có cấp phối hạt thích hợp từ các mỏ đất ở nơi khác Tiêu chuẩn hiện hành cũng quy định không được sử dụng đất yếu như đất bùn, than bùn để làm vật liệu đắp đường Như vậy, nguồn vật liệu để đắp nền đường thường là nguồn đất chọn lọc và phải lấy từ các mỏ đất, chỉ có một số ít trường hợp được lấy trực tiếp từ nền đào Trong trường hợp đất nền tự nhiên tại khu vực xây dựng không đáp ứng được các yêu cầu của tiêu chuẩn đối với vật liệu đắp nền đường, chi phí xây dựng sẽ tăng cao đáng kể Vì vậy, việc tìm giải pháp để cải thiện tính năng xây dựng của đất nền tự nhiên tại chỗ để đắp nền đường, bãi nhằm giảm chi phí xây dựng là hết sức cần thiết Để cải thiện đặc tính địa kỹ thuật của đất yếu để sử dụng làm vật liệu đắp đường cao tốc đã có khá nhiều nghiên cứu sử dụng các chất ổn định như vôi, xi măng, tro bay đã cho một số kết quả khả quan ban đầu Việc sử dụng công nghệ geopolymer đối với đất yếu đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới ngay càng quan tâm trong vài thập kỷ gần đây, vì đây là một giải pháp có thể cải thiện đặc tính địa kỹ thuật của đất yếu một cách nhanh chóng và hiệu quả Hệ nguyên liệu để chế tạo vật

2

liệu geopolymer bao gồm hai thành phần chính là các nguyên liệu ban đầu và các chất hoạt hóa kiềm Nguyên liệu aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer hóa xảy ra (thường dùng tro bay, metakaolin, silicafume ) [1] Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ biến nhất là các dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicat nhằm tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng geopolymer hóa Hiện nay Việt Nam đã và đang phát triển mạnh công nghiệp nhiệt điện đốt than, do đó nguồn phế thải tro bay, tro đáy từ các nhà máy nhiệt điện này rất lớn, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và chưa có hướng giải quyết Đến năm 2019, riêng khu vực phía Nam đã có các cụm nhà máy điện than: Vĩnh tân (Bình thuận), Duyên hải (Trà vinh), Sông Hậu (Hậu giang) được đưa vào sử dụng, vấn đề tro bay đã gây bức xúc cho dân cư địa phương Mặt khác, theo quy hoạch điện VII, nhu cầu than để làm ra 36.000 MW công suất các nhà máy nhiệt điện năm 2020 là 67 triệu tấn than/năm; và để làm ra 75.000 MW công suất các nhà máy nhiệt điện năm 2030 là 171 triệu tấn than/năm Quy hoạch điện VII đã đề cập sẽ xây dựng những trung tâm nhiệt điện than lớn tại đồng bằng sông Cửu Long gồm Duyên Hải (Trà Vinh, tổng công suất 4.200 MW), Long Phú (Sóc Trăng, 4.400 MW), Sông Hậu (Hậu Giang, 5.200 MW), Kiên Lương (Kiên Giang, 4.400 MW) sẽ vận hành trước năm 2020 và tiếp đến năm 2030 là Long An (1.200 MW), An Giang (2.000 MW), Bạc Liêu (1.200 MW) Tổng lượng tro xỉ, gồm xỉ (hay tro đáy) và tro bay từ các nhà máy nhiệt điện than năm 2020 là 27,4 triệu tấn và năm 2030 là 48,7 triệu tấn [2] Về nguyên tắc, tro xỉ có thể được sử dụng như là phụ gia sản xuất xi măng, sản xuất bê tông, gạch không nung và các loại vật liệu xây dựng khác Tuy nhiên, do trong tro xỉ còn chứa lượng lớn than chưa kịp cháy hoặc cháy chưa triệt để, có thể lên đến 20-30%, nên để tái sử dụng tro xỉ cần phải qua công đoạn tuyển để tách lượng than này ra, như vậy lại cần phải đầu tư thêm dây chuyền công nghệ tuyển than từ tro xỉ Hiện nay, công nghệ tuyển than dư từ tro xỉ chưa được phổ biến rộng rãi tại Việt Nam và do vậy việc tái sử dụng tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam còn nhiều hạn chế Rõ ràng, Việt Nam đang phải đối mặt với một vấn đề môi trường từ việc phát triển các nhà máy nhiệt điện than Đó là phải quản lý các bãi chứa tro xỉ với diện tích trên 28.000 ha đến năm 2030, phân bố dọc theo chiều dài đất nước qua các trung tâm điện lực lớn từ miền Bắc, miền Trung cho đến đồng bằng sông Cửu Long Nghĩa là, nếu không có giải pháp tái sử dụng tro xỉ hợp lý từ các nhà máy nhiệt điện than, chúng ta cần tiêu tốn một diện

3

tích tương đương 39% diện tích quốc đảo Singapore chỉ riêng cho việc tồn chứa tro xỉ cho đến năm 2030, và không loại trừ khả năng các bãi chứa xỉ này xung đột với nhu cầu sử dụng đất cho phát triển đô thị và canh tác nông nghiệp Theo [3], thống kê toàn cầu cho thấy chỉ có 30% lượng tro xỉ đang được tái sử dụng Thông tin từ Cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (USEPA) cho thấy, có khoảng 40% tro xỉ được tái sử dụng tại Hoa Kỳ năm 2012 Rõ ràng việc tái sử dụng tro xỉ các nhà máy nhiệt điện đang là thách thức lớn không chỉ của Việt Nam mà ngay cả ở những nước phát triển Như vậy, nếu việc nghiên cứu sử dụng tro xỉ để làm đường giao thông thành công sẽ có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ các nhà máy nhiệt điện đốt than, đồng thời đảm bảo phát triển hạ tầng một cách bền vững

Để việc ứng dụng công nghệ geopolymer trong gia cố nền có tính thực tiễn, cần nghiên cứu khả năng trộn đều một khối lượng lớn đất cần gia cố với nguồn nguyên liệu tạo geopolymer, để tạo ra một loại vật liệu có độ bền, độ cứng và độ ổn định trong điều kiện môi trường ở nhiệt độ bình thường, xung quanh 280C

Việc tiến hành những nghiên cứu để tận dụng nguồn đất yếu tại chỗ để làm đường bộ (bao gồm cả phần nền đắp và phần nền), công trình ngầm, kết hợp tận dụng các phế thải công nghiệp như tro bay, tro đáy là cần thiết, cấp bách, có ý nghĩa khoa học, thực tiễn cao

2 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài này bao gồm:

- Khảo sát tính chất xây dựng, tìm ra cấp phối hợp lý của geopolymer tổng hợp từ đất sét yếu tại chỗ và phế thải công nghiệp tro bay dưỡng hộ trong điều kiện nhiệt độ thường - Phân tích và đánh giá tiềm năng ứng dụng loại vật liệu geopolymer này để gia cố nền và làm vật liệu đắp nền đường bộ, trong xây dựng công trình ngầm trên nền đất yếu với điều kiện cụ thể tại Việt Nam

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần hoàn thiện về mặt lý thuyết việc sử dụng công nghệ geopolymer dựa trên tro bay để cải thiện

4

đặc tính cơ lý của đất sét yếu, làm rõ tiềm năng sử dụng công nghệ này phục vụ thiết kế thi công nền móng và công trình ngầm Công nghệ gia cố nền bằng chất kết dính geopolymer cũng mở ra hướng xử lý một lượng lớn phế thải tro xỉ của nhà máy nhiệt điện, góp phần giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường do loại phế thải này gây ra

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: để xây dựng cơ sở khoa học cho vấn đề cải thiện tính chất xây dựng của đất yếu thông qua việc thay đổi cấu trúc của nó bằng công nghệ geopolymer dựa trên tro bay

Nghiên cứu thực nghiệm phân tích các đặc trưng của nguyên liệu đầu vào ( như đất sét, tro bay); tiến hành tổng hợp các geopolymer từ các cấp phối khác nhau của nguyên liệu đầu vào nêu trên Trên cơ sở phân tích thành phần, cấu trúc, đặc trưng cơ học của các sản phẩm geopolymer thu được sẽ phân tích đánh giá các điều kiện phù hợp (về cấp phối, điều kiện bảo dưỡng) để có thể tổng hợp được các geopolymer đáp ứng được tốt nhất các yêu cầu đặt ra

Nghiên cứu thí nghiệm tại hiện trường để đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu geopolymer với các thành phần hợp lý theo kết quả thí nghiệm trong phòng, để làm rõ khả năng ứng dụng trong thực tế xây dựng của loại vật liệu geopolymer này

Nghiên cứu thông qua mô hình toán để tìm phương án gia cố nền bằng vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro bay và đất sét, một cách hợp lý: khảo sát với các phương án sử dụng đệm geopolymer, cột geopolymer từ đó phân tích, đánh giá hiệu quả của các phương phương án gia cố nền này

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận án thực hiện nghiên cứu, phân tích một số vấn đề sau:

- Đặc điểm, tính chất các nguồn vật liệu tro bay, đất sét chủ yếu của Việt Nam dưới góc độ là những nguồn vật liệu chủ yếu để tổng hợp vật liệu geopolymer;

- Cấp phối hợp lý: tỷ lệ các thành phần vật liệu đầu vào bao gồm tro bay, đất sét, dung dịch hoạt hóa kiềm, để geopolymer tổng hợp được đạt cường độ cao trong điều kiện dưỡng hộ ở nhiệt độ thường, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ học của geopolymer;

5

- Tiềm năng ứng dụng vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro bay, đất sét để làm nền đắp và gia cố nền: làm đệm geopolymer và cột geopolymer thông qua mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn;

- Tiềm năng ứng dụng vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro bay, đất sét để ứng dụng trong xây dựng công trình ngầm thông qua tính toán ứng dụng vật liệu geopolymer cho công trình hầm dẫn nút giao Mỹ Thủy, thành phố Hồ Chí Minh;

Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu này chỉ thực hiện với nguồn vật liệu đầu vào tro bay từ nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân, đất sét tại thành phố Hồ Chí Minh;

Nghiên cứu này chỉ quan tâm đến các tính chất xây dựng của vật liệu trước và sau khi tổng hợp geopolymer, đặc biệt là các tính chất phục vụ trực tiếp cho bài toán thiết kế và thi công nền đắp trên đất yếu Nghiên cứu cũng chưa đánh giá trực tiếp ảnh hưởng của thành phần hóa học của nước trong đất và hàm lượng hữu cơ trong đất đến tính chất của geopolymer

Chỉ có một thí nghiệm hiện trường được tiến hành

6 Cấu trúc của luận án

Cấu trúc luận án gồm 125 trang thuyết minh và phụ lục, bao gồm các phần:

Mở đầu: giới thiệu tính cần thiết và cấp bách của đề tài nghiên cứu, nêu mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, phương pháp nghiên cứu, giới hạn phạm vi nghiên cứu, cấu trúc của luận án và những đóng góp mới của luận án

Chương 1: Tổng quan về các giải pháp gia cố nền và những nghiên cứu về geopolymer tổng hợp từ tro bay và đất sét

Chương 2: Cơ sở khoa học của công nghệ geopolymer để cải thiện tính chất cơ học của đất nền và cơ sở lý thuyết tính toán gia cố nền bằng đệm và cột geopolymer

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất yếu tại chỗ kết hợp với tro bay để làm vật liệu đắp và gia cố nền

Chương 4: Sử dụng vật liệu geopolymer trong lĩnh vực địa kỹ thuật và vấn đề phân tích tính toán

Kết luận và kiến nghị

6

7 Những đóng góp mới của luận án

Lần đầu tiên đã nghiên cứu gia cố đất sét yếu tại Việt Nam bằng công nghệ geopolymer dựa trên tro bay Vĩnh Tân để gia cường cấu trúc của đất dẫn đến tăng cường độ chịu nén của đất yếu lên hàng trăm lần (151 lần tại hiện trường), độ cứng cũng tăng hàng trăm lần (146 lần tại hiện trường) Với các chỉ tiêu cơ lý đạt được của đất yếu sau gia cố, có thể đáp ứng tốt yêu cầu để làm nền đắp và gia cố nền;

Đã xây dựng cơ sở khoa học làm nền tảng nghiên cứu về công nghệ geopolymer và áp dụng công nghệ này vào xử lý đất yếu;

Đã sử dụng phương pháp thực nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường để xác định cấp phối hợp lý hỗn hợp hệ nguyên vật liệu, góp phần chứng minh tính khả thi của phương pháp gia cố nền đất yếu bằng công nghệ geopolymer sử dụng tro bay;

Đã ứng dụng vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro bay và đất yếu trong các bài toán gia cố nền làm đệm geopolymer, làm cột geopolymer gia cố nền, làm lớp gia cố thành xung quanh công trình ngầm Mô phỏng tính toán để đánh giá bước đầu hiệu quả của giải pháp này

Đã mở ra hướng xử lý một lượng lớn phế thải tro bay bằng cách sử dụng để làm nền đắp và gia cố nền, làm giảm đáng kể nguy cơ ô nhiễm môi trường do loại phế thải này gây ra

7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN VÀ

NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ GEOPOLYMER TỔNG HỢP TỪ TRO BAY VÀ ĐẤT SÉT

1.1 Tổng quan về đất yếu và các giải pháp gia cố nền

1.1.1 Khái niệm về đất yếu

Đất yếu có thể được định nghĩa là những loại đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp gia cố hoặc xử lý thích hợp Đất yếu là các loại đất có thể có nguồn gốc và điều kiện hình thành khác nhau nhưng đều có chung các đặc trưng: sức chống cắt nhỏ; biến dạng nhiều khi chịu tác dụng của tải trọng ngoài; hệ số thấm nhỏ và thay đổi theo sự biến dạng của đất yếu; hệ số rỗng lớn; đất thường ở trạng thái bão hòa hoặc gần bão hòa Theo [4-6] các loại đất yếu thường gặp là bùn, đất loại sét (sét, sét pha, cát pha) ở trạng thái dẻo nhão Những loại đất này thường có độ sệt lớn (IL > 1), có hệ số rỗng lớn (e > 1), có góc ma sát trong nhỏ ( < 10°), có lực dính theo kết quả cắt nhanh không thoát nước C < 15 kPa, có lực dính theo kết quả cắt cánh tại hiện trường Cu < 35 kPa, có sức chống mũi xuyên tĩnh qc < 0,1 MPa, có chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT là N < 5 Phần lớn các nước trên thế giới thống nhất về định nghĩa nền đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước (Su) và trị số xuyên tiêu chuẩn (N) như sau: đất rất yếu có Su ≤ 12,5 kPa hoặc N ≤ 2; đất yếu có Su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4

1.1.2 Mục tiêu của các công nghệ xử lý nền đất yếu

Với các đặc trưng nói trên, tùy theo chiều dày của lớp đất yếu và vị trí phân bố của lớp đất yếu, cần có giải pháp xử lý lớp đất yếu này trước khi xây dựng công trình Các mục tiêu xử lý nền đất yếu bao gồm:

Đảm bảo vấn đề ổn định của nền: Do cường độ chống cắt của đất yếu thấp nên dưới tác dụng của tải trọng công trình đất yếu có thể bị trượt trồi dẫn đến công trình bị phá hoại, nguy cơ này càng lớn khi đất yếu phân bố ngay trên bề mặt và có thể xảy ra ngay trong quá trình thi công

8

Đảm bảo vấn đề biến dạng của đất yếu trong giới hạn cho phép: vì đất yếu nếu không được xử lý sẽ dẫn đến công trình phía trên bị lún và lún kéo dài, nhất là khi bề dày lớp đất yếu lớn

Hạn chế ảnh hưởng đến các công trình lân cận: lún và biến dạng của công trình trên đất yếu có thể làm cho công trình liền kề bị lún theo, hoặc gây ra hiện tượng ma sát âm với công trình móng cọc liền kề

1.1.3 Các công nghệ xử lý nền đất yếu

Hiện nay, có nhiều công nghệ xử lý nền đất yếu Mỗi loại công nghệ có những ưu, nhược điểm riêng, phù hợp với từng điều kiện cụ thể Dưới đây là một số công nghệ xử lý nền đất yếu điển hình:

- Thay toàn bộ hay một phần đất yếu bằng vật liệu đắp tốt như cát, cuội sỏi Đây có thể xem là một giải pháp thường xuyên được sử dụng khi xây dựng nền đắp trên đất yếu Thường chỉ dùng giải pháp này một mình khi chiều sâu lớp đất yếu nhỏ dưới 6m, đối với các trường hợp khác thường kết hợp sử dụng với bố trí phương tiện thoát nước thẳng đứng Tồn tại chủ yếu khi sử dụng tầng đệm là sự khan hiếm và giá thành của cát Xu thế phát triển của giải pháp này là tìm vật liệu thay thế cát như sử dụng bấc thấm ngang - Bố trí các phương tiện thoát nước thẳng đứng: như giếng cát, bấc thấm Những tồn tại khi sử dụng công nghệ với phương tiện thoát nước thẳng đứng: làm xáo động vùng đất yếu dưới nền đắp, hệ số thấm giảm do đó đất lún lâu hơn

- Bơm hút chân không: Bơm hút chân không là biện pháp sử dụng áp lực của trụ khí quyển (xấp xỉ 100 kN/m2) thay thế cho vật liệu gia tải Trong thực tế, giá trị tải trọng có thể đạt được từ bơm hút chân không xấp xỉ 80 kN/m2, nhưng nhờ bơm hút nên cố kết đạt được nhanh hơn rất nhiều so với việc đắp cao với áp lực 80 kPa rồi chờ cho đến cố kết xong

Phương pháp nén trước bằng chân không là một trong những phương pháp gia cố nền đất sét yếu, theo đó, áp suất chân không được áp dụng lên một diện tích nền được bao bởi các tấm (màng) vật liệu kín khí (airtight membrane), để bơm thoát nước lỗ rỗng chứa trong nền làm cho đất cố kết nhanh

9

Vì do áp lực khí trong lỗ rỗng giảm giống nhau theo mọi phương nên trong khối đất bị hút chân không không xuất hiện ứng suất lệch nên không có hiện tượng trượt ở khu vực biên chịu tải Ưu điểm chính của giải pháp này là giảm được thời gian chờ cố kết và giảm được lượng lớn khối lượng dất đắp gia tải Rủi ro có thể gặp phải là màng phủ không đảm bảo kín, dẫn đến tổn thất áp lực chân không

- Cột đá dăm, cọc cát: Để xử lý đất yếu người ta có thể dung công nghệ cọc cát đầm hay viết tắt là cọc cát (Sand Compaction Pile-SCP) Phương pháp cọc cát đầm là một phương pháp để làm ổn định nền đất yếu bằng cách thi công các cọc cát được đầm kỹ với đường kính lớn bằng quá trình lặp đi lặp lại rút hạ cọc ống thép được rung Các cọc vật liệu này ngoài tác dụng thoát nước thẳng đứng còn có tác dụng tăng cường sức chống cắt nên khi kiểm toán ổn định dưới tác dụng của nền đắp được phép xét đến sức chống cắt của phần mặt trượt cắt qua cọc Chiều sâu các cột hay cọc này thường không quá 15m Ưu điểm của phương pháp này là cách thi công tương đối quen dùng Nhược điểm là tốn vật liệu và không rẻ

- Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất gia cố xi măng: Trước đây biện pháp xử lý đất trộn vôi đã được sử dụng nhiều trong nước Thời gian gần đây, với công nghệ, thiết bị thi công du nhập từ nước ngoài vào, cộng thêm việc nghiên cứu được chú trọng nên trụ đất gia cố xi măng được sử dụng phổ biến hơn trong xây dựng công trình đắp Trụ đất gia cố xi măng thường dùng cho các công trình chịu tải trọng lớn (đường lăn, bãi đỗ trong sân bay, bến cảng); các công trình đòi hỏi độ ổn định cao (đường đắp cao đầu cầu, bãi đúc các cấu kiện lớn, nền kho bãi); các công trình gia cố nền trong phạm vi nhỏ hẹp

Trụ đất gia cố xi măng thường được dùng để xử lý, nén chặt các lớp đất yếu như: Than bùn, bùn, sét và sét pha ở trạng thái dẻo nhão Đây là giải pháp công nghệ thích hợp để gia cố sâu nền đất yếu Trụ đất gia cố xi măng đã áp dụng để xử lý nền móng sân bay Trà Nóc Cần Thơ, đường vào khu khí điện đạm Cà Mau…

- Sử dụng hệ cọc đóng vào trong lớp đất yếu: Tải trọng của nền được truyền xuống nền cứng thông qua các cọc đóng cách nhau, trên các đầu cọc và sàn giảm tải Như đã biết, cọc bê tông cốt thép được đúc sẵn, được sử dụng rộng rải nhất trong xây dựng móng sâu

10

và chịu áp lực ngang Phương pháp này có ưu điểm: điều kiện áp dụng không phụ thuộc vào tình hình nước ngầm, điều kiện địa hình, chiều dài, tiết diện cọc cấu tạo theo ý muốn, cường độ vật liệu làm cọc lớn, có thể cơ giới hoá trong thi công, chất lượng cọc đảm bảo tốt vì cọc được đúc sẵn dễ kiểm tra chất lượng

Đoạn đường đầu cầu sẽ được xử lý bằng cách đóng cọc bê tông cốt thép (BTCT), chiều sâu cắm vào lớp đất tốt Khoảng cách giữa các cọc được bố trí theo kết quả sức chịu tải của hệ cọc Tải trọng tính toán bao gồm tĩnh tải của lớp đất đắp trên đường dẫn và hoạt tải xe cộ được quy đổi ra chiều cao lớp đất đắp tương đương Chiều dày của sàn giảm tải BTCT và bố trí cốt thép được tính toán theo độ bền chống chọc thủng tại đầu cọc Để đảm bảo tính hiệu quả của các giải pháp gia cố, thực tế thường sử dụng kết hợp một số giải pháp công nghệ gia cố: Tầng đệm cát với giếng cát hoặc bấc thấm; Gia tải trước kết hợp với thoát nước thẳng đứng…Phương pháp xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước thường được xử lý nền đường đắp trên nền đất yếu Với mục đích làm giảm chiều dài đường thoát nước, phương pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm tạo ra các biên thoát nước nhân tạo cho phép nước thoát ra theo cả hai phương bằng các vật thoát nước thẳng đứng và lớp đệm cát trên bề mặt thoát nước theo phương đứng và theo phương ngang

Bấc thấm có hệ số thấm lớn hơn nhiều so với nền đất sét, khi bố trí bấc thấm trong nền đất và kết hợp gia tải, nhờ tải trọng ngoài làm nước lỗ rỗng trong đất nền thấm về hướng bấc thấm rồi sau đó thoát nhanh theo phương đứng ra khỏi đất nền

Bấc thấm được sử dụng để xử lý lớp bùn đất, bùn sét, độ sâu xử lý không vượt quá 25m [4]

1.2 Những nghiên cứu về geopolymer tổng hợp từ tro bay và đất sét sử dụng để làm nền đắp và gia cố nền

1.2.1 Khái quát về sự phát triển của vật liệu geopolymer

Vật liệu geopolymer là loại vật liệu không sử dụng chất kết dính xi măng pooc lăng thông thường mà là sản phẩm của phản ứng giữa dung dịch kiềm và các loại vật liệu có chứa hàm lượng lớn hợp chất silic và nhôm Chất kết dính này đã được Purdon bắt đầu nghiên cứu từ những năm 1940 [7] Tác giả đã sử dụng xỉ lò cao được hoạt hóa bằng

11

dung dịch natri hydroxit Tác giả cho rằng, quá trình phát triển cấu trúc gồm hai bước: đầu tiên xảy ra quá trình giải phóng các hợp chất nhôm-silic và canxi hydroxit Sau đó xảy ra sự hydrat hóa nhôm và silic đồng thời tái tạo dung dịch kiềm Gluskhovsky [8] là người đầu tiên khảo sát loại chất kết dính được sử dụng trong công trình ở thời kỳ La mã và Ai cập cổ đại Ông cho rằng các công trình này được tạo nên bởi hợp chất hydro canxi aluminat giống như một loại xi măng pooc lăng và cũng có pha thủy tinh analcite, một loại đá tự nhiên Điều này có thể giải thích tính bền vững của những loại chất kết dính này Trên cơ sở kết quả khảo sát đó, Gluskhovsky đã phát triển một loại chất kết dính mới gọi là xi măng đất (Soil-cement) Từ “đất” do chúng giống một loại đất đá, còn từ “xi măng” do chúng có khả năng kết dính Xi măng đất có thành phần từ hỗn hợp đất chứa muối Aluminosilicat và phế thải công nghiệp giàu kiềm Nhiều tác giả khác cũng đã tiến hành nghiên cứu vấn đề này, một số công trình nghiên cứu tiêu biểu, các mốc thời gian chính về sự phát triển của vật liệu geopolymer đã được thống kê ở bảng 1.1[9]:

Bảng 1.1 Mốc thời gian chính về sự phát triển của vật liệu geopolymer

Feret 1939 Dạng sử dụng xỉ cho xi măng Purdon 1940 Sự kết hợp xỉ và kiềm

Glukhovsky 1959 Lý thuyết cơ bản và sự phát triển của chất kết dính kiềm (alkaline cements)

Glukhovsky 1965 Lần đầu tiên gọi Xi măng kiềm “alkaline cements” Davidovits 1979 Khái niệm “Geopolymer”

Forss 1983 Xi măng F (F-cements)(Phụ gia siêu dẻo xỉ slag alkali superplasticizer)

kiềm-Langton and Roy 1983 Đặc tính vật liệu xây dựng cổ đại Langton and Sawyer 1984 Bằng sáng chế về xi măng “Pyrament”

12

Majunda et al 1989 C12A7- Xỉ hoạt hóa

Tailling and Brandstetr 1989 Xỉ kiềm hoạt hóa ( Alkali-activated slag) Wu et al 1990 Chất hoạt hóa của xi măng xỉ

Roy et al 1991 Xi măng rắn nhanh kiềm hoạt hóa ( Rapid setting alkali-activated cements)

Roy and Malek 1993 Xi măng xỉ

Krivenko 1994 Xi măng kiềm tính (Alkaline cements) Wang and Scrivener 1995 Vi cấu trúc của xỉ kiềm hoạt hóa

Shi 1996 Cường độ, cấu trúc lỗ rỗng và tính thấm nước của xỉ kiềm hoạt hóa

Fernandez-Jimenez and Puertas

1997 Nghiên cứu động học của chất kết dính xỉ kiềm hoạt hóa

Katz 1998 Vi cấu trúc của tro bay kiềm hoạt hóa

Palomo 1999 Tro bay kiềm hoạt hóa-Chất kết dính cho tương lai Gong and Tan 2000 Chất kết dính bùn đỏ - Xỉ kiềm hoạt hóa

Puertas 2000 Chất kết dính tro bay/xỉ kiềm hoạt hóa Bakharev 2001 Bê tông xỉ kiềm hoạt hóa

Grutzeck 2004 Sự hình thành khoáng Zeolite

Provis and Deventer 2009 Geopolymer: Cấu trúc, quá trình sản xuất, tính chất và ứng dụng công nghiệp

13

Phần lớn các nghiên cứu khảo sát về chất kết dính kiềm hoạt hóa đều có nguồn gốc từ sự hoạt hóa xỉ lò cao nên gọi là xi măng xỉ kiềm “Alkali-slag cement” hay Xi măng xỉ kiềm hoạt hóa “Alkali-activated slag” Shi và Day [10] cho rằng khi sử dụng chất kiềm hoạt hóa là Na2O.nSiO3 thì cường độ nén có thể đạt 60 MPa sau 90 ngày dưỡng hộ ở nhiệt độ phòng

Theo nghiên cứu của Davidovits [1], geopolymer là loại polymer vì có sự chuyển biến thù hình, polymer hóa và đóng rắn ở nhiệt độ thấp Nhưng chúng cũng là hợp chất vô cơ, cứng và ổn định ở nhiệt độ cao Cũng theo tác giả, có chín loại geopolymer khác nhau, nhưng loại có khả năng ứng dụng nhiều nhất trong xây dựng là loại vật liệu alumino silicat Những loại geopolymer này dựa vào quá trình nhiệt hoạt hóa các vật liệu tự nhiên như kaolinite, metakaolin, hoặc phế phẩm công nghiệp như tro bay, xỉ nhằm cung cấp nguồn vật liệu silic (Si) và nhôm (Al), các nguyên liệu này sẽ được hòa tan trong dung dịch hoạt hóa kiềm rồi sau đó thực hiện quá trình trùng hợp tạo thành chuỗi phân tử chất kết dính tạo đá

Ngày nay, các nghiên cứu về geopolymer đang nhận được sự quan tâm ngày càng tăng vì chúng có thể được sử dụng như là một thay thế khả thi về mặt kinh tế cho các polyme hữu cơ và xi măng vô cơ trong các ứng dụng đa dạng Người ta quan tâm đến geopolymer là do sự ổn định tốt với nhiệt độ và các tác nhân hóa học , độ bền cơ học cao, ứng xử tương tự chất kết dính và độ bền lâu dài

Tính chất của sản phẩm geopolymer phụ thuộc chủ yếu vào nguồn vật liệu để tổng hợp geopolymer, dung dịch chất hoạt hóa kiềm và một số điều kiện khác trong quá trình tổng hợp geopolymer như nhiệt độ, thời gian dưỡng hộ

1.2.2 Những nghiên cứu về geopolymer tổng hợp từ đất sét và tro bay

Nuno Cristelo et al (2011) [11] đã tiến hành nghiên cứu sử dụng tro bay và dung dịch

hoạt hóa kiềm để gia cố nền đất yếu Tác giả đã tiến hành thí nghiệm trong phòng để nghiên cứu sự phát triển cường độ và biến dạng của đất được gia cố dưới các điều kiện khác nhau như thành phần của vữa, nhiệt độ ban đầu và so sánh với vữa xi măng Kết quả thí nghiệm cho thấy việc sử dụng tro bay và dung dịch hoạt hóa kiềm làm cho cường độ của đất nền tăng lên đến 11,4; 16,7 và 43,4 MPa sau khoảng thời gian tương ứng là

14

28; 90 và 365 ngày Thành phần hỗn hợp phù hợp nhất tìm được thông qua kết quả thí nghiệm trong phòng sẽ được ứng dụng để khoan phụt vữa geopolymer ngoài hiện trường Kết quả thí nghiệm cường độ nén của đất được gia cố theo phương pháp trên đạt được 26,4 MPa sau 90 ngày Kết luận chính được đưa ra là việc gia cố nền đất bằng hỗn hợp vữa geopolymer từ tro bay và dung dịch hoạt hóa kiềm thông qua phương pháp khoan phụt có tiềm năng ứng dụng lớn và đây là nghiên cứu ban đầu để tiến hành các nghiên cứu sâu hơn

Hình 1.1 Cột geopolymer được tạo bằng cách khoan phụt vữa geopolymer trong đất [11]

Jian He (2012)[12] đã tiến hành nghiên cứu đặc trưng của geopolymer tổng hợp từ bùn đỏ và tro bay; bùn đỏ, tro bay và metakaolin dưỡng hộ trong điều kiện nhiệt độ môi trường tự nhiên Kết quả cho thấy rằng các tính chất cơ học của geopolymers chịu ảnh hưởng bởi thời gian dưỡng hộ, tỷ lệ bùn đỏ/tro bay, và hàm lượng chất độn cát thêm vào Nói chung, cường độ nén tăng lên cùng với sự gia tăng của thời gian dưỡng hộ, cho đến một giá trị không đổi sau khi quá trình đóng rắn diễn ra hoàn toàn Độ cứng của hỗn hợp tiếp tục tăng ngay cả khi cường độ đã ổn định, cho đến 28 ngày dưỡng hộ Thêm chất độn cát dường như có ảnh hưởng bất lợi đến đặc trưng cơ học Mối tương quan thực nghiệm cũng cho thấy cường độ tăng theo tỉ lệ mol Si/Al, nhưng giảm với tỷ lệ Na/Si Tỷ lệ Na/Si cao hơn cũng làm giảm độ cứng và tăng cường tính dẻo Đối với phạm vi

15

nghiên cứu của các cấp phối đã chọn, các geopolymers bùn đỏ đạt cường độ nén từ 13 MPa, có thể so sánh với một số loại xi măng Portland Nghiên cứu này chứng minh rằng geopolymer bùn đỏ là một vật liệu kết dính đầy hứa hẹn, khả thi cho việc sử dụng trong công trình xây dựng đường bộ, mang lại lợi ích kinh tế và môi trường

7-Jian He (2012) [12] cũng đã tiến hành nghiên cứu đặc trưng của hai geopolymer khác nhau được tổng hợp từ metakaolin với hỗn hợp bùn đỏ và tro bay Thuộc tính cơ học, thành phần và cấu trúc vi mô đã được xác định Dựa trên các kết quả thí nghiệm và so sánh các đặc tính của hai geopolymer, đã rút ra các kết luận sau đây:

Nói chung, đối với một tỷ lệ Si/Al nhất định, cường độ chịu nén, độ cứng, và biến dạng tương đối ở trạng thái phá hoại của geopolymer tổng hợp từ metakaolin (MK-GP) cao hơn nhiều so với geopolymer tổng hợp từ bùn đỏ và tro bay (RM-GP), do phần chất kết dính geopolymer tinh khiết cao hơn và vết nứt nhỏ ít hơn trong MK- GP so với RM-GP Hơn nữa, geopolymer tổng hợp từ metakaolin mất ít thời gian dưỡng hộ hơn để phát triển đầy đủ cường độ, là do những phản ứng triệt để hơn của metakaolin được nung mịn hơn so với kích thước hạt với bùn đỏ chưa nung Đối với các mẫu geopolymer được nghiên cứu, MK-GP đạt được cường độ chịu nén 31 MPa, trong khi RM-GP đạt được cường độ chịu nén 13 MPa Các MK-GP có thể được dưỡng hộ hoàn toàn trong thời gian 9 ngày, trong khi RM-GP phải mất hơn 21 ngày để được dưỡng hộ đầy đủ Cường độ chịu nén của cả hai geopolymer tăng lên cùng với thời gian dưỡng hộ và sự gia tăng tỷ lệ Si/Al, cho đến khi đạt đến một hằng số sau khi đóng rắn hoàn toàn Việc kéo dài thời gian dưỡng hộ hơn nữa có thể làm tăng độ cứng và độ giòn của RM-GP

Theo các phân tích thành phần và vi cấu trúc, cả hai geopolymer đều là hỗn hợp của quá trình geoplymer, nhưng không phải là geopolymer tinh khiết Sản phẩm cuối cùng có chứa một dạng chất kết dính geopolymer là thành phần chính, nhưng cũng một số lượng nhỏ các nguyên liệu nguồn không phản ứng Điều thú vị là, MK-GP cũng chứa một số phân tử NaOH hoặc Na2CO3 lắng lại, trong khi một số hạt mới được tạo thành với hình dạng tấm hoặc kim giống có mặt trong các khoảng trống của RM-GP Do sự hiện diện của các thành phần trơ, không phản ứng, và geopolymer hình thành mới của các giai đoạn trong quá trình geopolymer hóa, tỷ lệ Si/Al của các chất kết dính tổng hợp geopolymer không thiết kế trước được theo giá trị mong muốn Như vậy, các tính chất

16

cơ học của hai hợp chất geopolymer rất phức tạp và bị ảnh hưởng bởi một loạt các yếu tố như tính chất của vật liệu ban đầu, nồng độ dung dịch chất hoạt hóa kiềm và thời gian dưỡng hộ

Cũng theo Jian He (2012)[12], từ một nghiên cứu thực nghiệm nhằm mục đích chuyển đổi hai chất thải công nghiệp, bùn đỏ (RM) và tro trấu (RHA), thành vật liệu xây dựng tổng hợp hữu ích thông qua quá trình geopolymer hóa Vật liệu không phải là chất thải được sử dụng trong quá trình tổng hợp chỉ là NaOH Các silica vô định hình trong RHA sau khi hòa tan được sử dụng như là một thay thế cho các chất hoạt hóa, natri silicat Một loạt các tham số tổng hợp, kể cả thời gian dưỡng hộ, tỷ lệ RHA/RM, kích thước hạt RHA, được khảo sát để hiểu được cấp độ và mức độ geopolymer hóa và ảnh hưởng của chúng dựa trên các tính chất cơ học của sản phẩm cuối cùng Thành phần và cấu trúc vi mô của các sản phẩm cuối cùng cũng đã được kiểm tra qua thí nghiệm nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét và phân tích hóa học Dựa trên các kết quả thí nghiệm và quan sát, đã rút ra các kết luận sau đây:

- Các geopolymer RM-RHA tổng hợp là một loại vật liệu tổng hợp bao gồm các chất kết dính geopolymer tinh khiết và pha khác như chất độn;

- Các tính chất cơ học của geopolymer RM-RHA là rất phức tạp và phụ thuộc vào một loạt các yếu tố, chẳng hạn như độ kiềm, tỷ lệ pha trộn nguyên liệu, thời gian dưỡng hộ, kích thước hạt RHA, và liên quan đến quá trình geopolymer hóa và phản ứng không đầy đủ;

- Các geopolymers đã nghiên cứu có cường độ chịu nén lên đến 20,5 MPa, có thể sánh với hầu hết xi măng Portland, cho thấy rằng geopolymer RM-RHA có thể là một chất kết dính có tiềm năng;

- Một vài rào cản, chẳng hạn như thời gian dưỡng hộ lâu dài, biến đổi trong thành phần các nguyên vật liệu, và sự không chắc chắn về mức độ phản ứng và phản ứng phụ trong quá trình geopolymer hóa, có thể gây khó khăn trong việc phổ biến, ứng dụng thực tế của loại geopolymer này;

17

- Công nghệ tiềm năng này, nếu được chứng minh thành công, có thể tạo ra những tác động đáng kể về môi trường và kinh tế cho các ngành xây dựng, sản xuất và năng lượng Shixin Zeng (2016)[13] đã sử dụng tro bay từ bốn nguồn khác nhau để tổng hợp geopolymer Các chương trình thử nghiệm toàn diện đã được thực hiện để xác định đặc trưng của tro bay, kiểm tra các yếu tố quan trọng ảnh hưởng trên các tính chất cơ học của geopolymer và để đánh giá tiềm năng của bốn tro bay có sẵn tại địa phương để làm nguồn nguyên liệu tổng hợp geopolymer Các kết luận sau đây được rút ra dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm:

- Độ hòa tan của tro bay từ bốn nguồn khác nhau thể hiện khá khác nhau, điều này sẽ ảnh hưởng đến các tính chất của geopolymer sử dụng những tro bay làm nguyên liệu đầu vào Tro bay từ Gaston có hàm lượng phản ứng cao nhất và là nguồn nguyên liệu tốt nhất để tổng hợp geopolymer

- Độ hòa tan có thể không phải là một chỉ số đáng tin cậy về hàm lượng của các vật liệu phản ứng trong tro bay Tinh thể mới hoặc kết tủa nhanh có thể được tạo thành trong thời gian thí nghiệm hòa tan, trong đó có thể làm cho mức độ sai lệch độ hòa tan đo được khác giá trị thực của nó

- Kiềm đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển cường độ nén của geopolymer Cường độ nén của geopolymer tăng theo độ kiềm của chất hoạt hóa Tuy nhiên, độ kiềm cao có thể làm tăng chi phí sản xuất của geopolymer

- Cường độ nén của geopolymer giảm khi tỷ lệ mol Na2O/Al2O3 giảm ứng với khi tỷ lệ mol Na2O/Al2O3 nhỏ hơn 0,9 Khi tỷ lệ mol Na2O/Al2O3 lớn hơn 0,9 , ảnh hưởng của tỷ lệ Na2O/Al2O3 đến cường độ nén là rất ít

- Cường độ nén của geopolymers đầu tiên giảm và sau đó tăng lên cùng với sự tăng tỷ lệ mol của SiO2/Al2O3 và đạt tối đa ở mức 3.6 đến 3.8, và sau đó giảm trở lại Tỷ lệ mol tối ưu thu được trong nghiên cứu này là phù hợp với những công bố của các nghiên cứu trước đó

- Mẫu geopolymer dưỡng hộ ở nhiệt độ 75°C đạt được gần đến giá trị cường độ cuối cùng của nó sau bốn giờ dưỡng hộ

18

- Cường độ nén của các geopolymer giảm theo sự gia tăng hàm lượng canxi của tro bay nguồn, điều này đối lập với kết quả quan sát đã được báo cáo Nguyên nhân chủ yếu gây ra mâu thuẫn này là do độ hòa tan khác nhau trong mỗi loại bay tro Do đó, hàm lượng canxi không thể được sử dụng để dự đoán cường độ của các geopolymer

- Geopolymer làm từ tro bay nghèo canxi so với tro bay giàu canxi có cường độ tốt hơn Trong số tất cả các tro bay được khảo sát cứu trong nghiên cứu này, tro bay từ Gaston là thích hợp nhất để tổng hợp geopolymer Các geopolymer được làm từ tro bay này có cường độ cao nhất vì có tỷ lệ vật liệu tham gia phản ứng cao

Noor Ul Amin và cộng sự (2014) [14], đã tiến hành nghiên cứu chất kết dính thay thế xi măng Portland bằng cách tổng hợp geopolymer từ đất sét kaoninite tại Pakistan với dung dịch NaOH Các tham số khác nhau ảnh hưởng đến cường độ của geopolymer được nghiên cứu và tối ưu hóa Kết quả nghiên cứu cho thấy hỗn hợp bảo dưỡng ở nhiệt độ 800C trong 48 giờ, đạt cường độ chịu nén là 45MPa Sau đây là một số kết quả của nghiên cứu này:

Hình 1.2: Ảnh hưởng của hàm lượng NaOH đến cường độ chịu nén

Nồng độ chất hoạt hóa kiềm đóng vai tro quan trọng trong quá trình phân rã vật liệu aluminosilicate Cường độ chịu nén của vật liệu tăng khi tăng nồng độ dung dịch NaOH

19

Hình 1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ dưỡng hộ đến cường độ chịu nén

Hình 1.4 Ảnh hưởng của thời gian và điều kiện dưỡng hộ đến cường độ chịu nén

20

P Sargent (2015) [15] đã tiến hành nghiên cứu xử lý đất bùn cát yếu Lanton, Vương quốc Anh, để làm nền đường sắt cao tốc Nhiều phương án xử lý khác nhau đã được nghiên cứu, một số kết quả đạt được thể hiện như biểu đồ hình 1.5

Hình 1.5 Sự phát triển cường độ nén nở hông của đất bùn cát Lanton (Anh Quốc) với các phương án xử lý khác nhau

Kết luận được đưa ra là geopolymer (GGBS-NaOH) có tiềm năng lớn thay thế cột xi măng đất, vôi đất vì đảm bảo tất cả các chỉ tiêu kỹ thuật để làm nền đường sắt cao tốc Tuy giá thành geopolymer cao hơn cột xi măng đất khoảng 7,5%, nhưng lại thân thiện với môi trường hơn

Sara Rios et al., (2017) [16]: Nghiên cứu đề cập đến một số lựa chọn để cải thiện động lực học phản ứng của chất kết dính tro bay canxi thấp hoạt hóa kiềm để ổn định đất trong nền đường Một chương trình thí nghiệm đã được thiết lập để đánh giá sự phát triển cường độ, theo thời gian, của chất kết dính cấp phối khác nhau, từ tro bay, vôi, natri clorua và dung dịch hoạt hóa kiềm, để áp dụng trong việc gia cố đất cát mịn Các thí nghiệm bao gồm các thí nghiệm cường độ nén nở hông tự do, thí nghiệm nén ba trục và đo sóng địa chấn được thực hiện ở các giai đoạn bảo dưỡng khác nhau Kết quả được so sánh với chất kết dính là xi măng Portland và một chất phụ gia thương mại được thiết

35 ngày

49 ngày

21 ngày 14 ngày

56 ngày 42 ngày

21

kế để gia cố đất trong các ứng dụng đường bộ Các hỗn hợp geopolymer tro bay với vôi có hiệu quả cao nhất tạo ra sự gia tăng đáng kể trong sự phát triển các phản ứng và do đó tăng sự phát triển cường độ Việc bổ sung natri clorua cải thiện đáng kể cường độ hỗn hợp vôi và vôi-tro bay, nhưng chỉ có tác dụng cải thiện nhỏ trong hỗn hợp geopolymer tro bay

Hamed Javdanian et al (2017)[17]: Trong nghiên cứu này, các kết quả thí nghiệm sâu rộng trên các mẫu đất ổn định bằng geopolymer đã được thu thập và phân tích Sau đó, một mô hình đã được phát triển bằng phương pháp xử lý dữ liệu nhóm (GMDH) và sử dụng thuật toán tối ưu bầy đàn để ước tính cường độ nén nở hông tự do (UCS) của đất dính cải thiện bằng cách sử dụng geopolymer Loại phụ gia và thành phần của chúng cũng như các đặc tính của đất được lấy làm thông số ảnh hưởng đến giá trị UCS của mẫu đất Sau đó, phân tích độ nhạy đã được thực hiện để xác minh hiệu quả của mô hình UCS được đề xuất Cuối cùng, mô hình dựa trên GMDH đã phát triển được so sánh với mô hình mạng nơ ron nhân tạo để dự đoán cường độ nén nở hông tự do của đất được cải thiện Các kết quả minh họa rõ ràng độ chính xác hợp lý của mô hình dựa trên mô hình Intelligence-based được phát triển để ước tính cường độ nén nén nở hông tự do của đất dính cải thiện bằng geopolymer

Charoenchai Ridtirud et al (2017)[18], nghiên cứu này nhằm mục đích cải tạo đất đá ong bằng cách sử dụng vật liệu geopolymer dựa trên tro bay với tỷ lệ tro bay là 1.5, 3, 5, 7, 10, 15 và 20% theo khối lượng để làm nền đắp Mẫu thí nghiệm được chuẩn bị theo phương pháp thí nghiệm Proctor cải tiến Bảo dưỡng được thực hiện ở 40oC trong 24 giờ và ngâm trong nước trong 2 giờ trước khi thí nghiệm Các thí nghiệm cường độ nén nở hông tự do tại 7, 14 và 28 ngày đã được thực hiện Kết quả cho thấy tro bay 5% tính theo khối lượng và tỷ lệ NaOH / Na2SiO3 là 1/1 đã dẫn đến việc cải thiện cường độ nén trên 17,5 daN/cm2, cao hơn so với yêu cầu làm nền đắp theo tiêu chuẩn số DH-S 204/2533 - Nền xi măng đất của Thái Lan

Manuela Corrêa-Silva et al (2018)[19] tiến hành nghiên cứu cải tạo đất sét bằng tro bay và canxi hoạt tính thấp theo công nghệ geopolymer để ứng dụng trong công trình hạ tầng giao thông Nghiên cứu này cũng so sánh ứng xử của đất sét được cải thiện với tro bay có hoạt tính kiềm thấp theo công nghệ geopolymer với cùng loại đất được cải thiện

22

với chất kết dính truyền thống là vôi và xi măng Các thử nghiệm cường độ nén nở hông tự do đã được thực hiện vào 7, 14, 28 và 90 ngày bảo dưỡng, cho thấy:

Việc thêm chất kết dính vào đất tạo ra phản ứng làm tăng độ bền và cường độ;

Tương tự như việc bổ sung các chất kết dính truyền thống, việc sử dụng hàm lượng tro bay cao hơn cũng tạo ra cường độ cao hơn;

Xi măng gây ra sự gia tăng nhanh hơn của đặc tính cơ học trong 28 ngày bảo dưỡng, nhưng sau giai đoạn ban đầu này, quá trình phát triển cường độ trở nên rất chậm; Trong các hỗn hợp vôi, sự gia tăng cường độ thấp hơn so với sử dụng xi măng Tuy nhiên, cường độ tăng đáng kể đã được ghi nhận trong khoảng 28 đến 90 ngày bảo dưỡng; Hỗn hợp tro bay cho thấy sự gia tăng chậm hơn trong các đặc tính cơ học từ 0 đến 28 ngày bảo dưỡng so với hỗn hợp xi măng Tuy nhiên, sau 90 ngày bảo dưỡng, hỗn hợp tro bay có cường độ tương tự hoặc cao hơn so với hỗn hợp xi măng

Từ kết quả thí nghiệm CBR, thí nghiệm ba trục cũng được thực hiện trên các hỗn hợp được chọn, đã rút ra các kết luận sau đây:

Tất cả các chất kết dính gây ra sự gia tăng đáng kể các giá trị CBR và giảm độ trương nở Việc ngâm các mẫu gây ra giảm CBR trong đất ban đầu khoảng 70%, nhưng nhỏ hơn trên các mẫu đã gia cố trong đó mức giảm tối đa (trên hỗn hợp vôi) chỉ là 14%; Thí nghiệm ba trục được thực hiện sau 28 ngày bảo dưỡng đã khẳng định sự cải thiện tốt của tất cả các thông số sức chống cắt và độ cứng

Tóm lại, có thể kết luận rằng việc áp dụng công nghệ geopolymer với tro bay trong cải tạo đất cho thấy kết quả rất khả quan, các đặc trưng cơ học vượt trội so với kết quả quan sát được trong hỗn hợp xi măng đất ở 90 ngày tuổi và trong hỗn hợp đất-vôi ở tất cả thời gian bảo dưỡng được phân tích

Hayder H Abdullah et al (2018)[20], nghiên cứu này tập trung vào việc gia cường đất sét cao lanh ở nhiệt độ môi trường bình thường bằng cách sử dụng geopolymer dựa trên tro bay kết hợp với xỉ lò cao (GGBFS) Chương trình thí nghiệm toàn diện đã được thực hiện bao gồm chỉ số dẻo của đất, tính đầm chặt đất, cường độ nén nở hông tự do, độ ổn

23

định và tính thấm Các thử nghiệm này được thực hiện cùng với việc phân tích vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) Nghiên cứu tối ưu hóa bằng cách sử dụng một số kết hợp các thành phần geopolymer đã được thực hiện và đánh giá vai trò của GGBFS trong việc tăng cường ổn định của đất sét Kết quả chỉ ra rằng việc thay thế một phần tro bay loại F bằng GGBFS, khi được tổng hợp theo một số tỷ lệ nhất định, đạt được các đặc tính cường độ của đất sét gia cố bằng geopolymer cao hơn so với đất sét gia cố bằng xi măng Mặc dù một tỷ lệ nhỏ geopolymer có thể cải thiện độ bền của đất, nhưng một lượng lớn hơn là rất cần thiết để tăng cường độ bền của đất trong điều kiện độ ẩm cao Trong điều kiện băng giá, đất gia cố geopolymer đạt độ bền thấp cho thấy phản ứng geopolymer hóa ở nhiệt độ thấp diễn ra chậm Kết quả phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) đã thể hiện rõ ràng mô-đun đàn hồi của đất sét được gia cố tăng vì các tiếp xúc giữa các hạt và liên kết tương ứng do sự hình thành và hóa cứng gel Trịnh Sơn Hoàng, Bùi Thị Quỳnh Anh (2018) [21] Trong nghiên cứu này, đất yếu được trộn với chất kết dính geopolymer từ tro bay để cải thiện cường độ Đất sét được trộn với cát để thay đổi hàm lượng sét bằng 24,8%, 20,4%, 14,3%, 10,2%, 6,1% và kết hợp với chất kết dính geopolymer từ tro bay với tỷ lệ 5%, 10%, 15%, 20% Chất kết dính geopolymer bao gồm dung dịch kiềm hoạt hóa (AAS) Na2SiO3 / NaOH là 2/1, AAS / tro bay bằng 1/2 Cường độ nén của mẫu đất được ổn định bởi geopolymer phụ thuộc vào một số yếu tố như hàm lượng sét và chất kết dính geopolymer Kết quả cho thấy hàm lượng chất kết dính đất sét và geopolymer đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển và hình thành độ bền của đất geopolymer Kết luận được rút ra: Đất sét và hàm lượng geopolymer đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành cường độ của geoplymer - đất Cường độ nén của geopolymer-đất tỷ lệ thuận với hàm lượng geopolymer nhưng tỷ lệ nghịch với hàm lượng sét Cường độ nén cao nhất với hàm lượng sét là 6,1% và geopolymer là 20%, và thấp nhất với 24,8% sét và 5% geopolymer Khi sử dụng tro bay dựa trên geopolymer để ổn định đất yếu, cần chú ý đến hàm lượng sét tự nhiên trong đất để chọn chất kết dính geopolymer để đất đạt cường độ nén cao nhất

Suraj D Khadka et al (2018)[22]: Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng geopolymer tổng hợp từ tro bay (FA) và metakaolin để gia cường đất sét có tính dẻo cao Geopolymer