Luận văn thạc sĩ Công nghệ vật liệu: Dùng Bentonitech chống thấm bê tông

Với ưu điểm nổi bật về tính chống thấm của bentonite, các công trình sửdụng betonite như: Cầu Vân Đồn Quảng Ninh, Cầu Yên Lệnh, Khu đô thị mới Nam Trung Yên Hà Nội, công ty công trình gi

—————^-*>›«>*<+èc—=+>=—te: ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

Sy TRUONG DAI HOC BACH KHOA

-~ -ri

HOC VIEN: NGUYEN HOA DUONG

DE TAI: DUNG BENTONITE CHONG THAM BE TONG

Chuyên ngành: Công nghệ Vật liệu vô coMã so: 605290

LUAN VAN THAC SI

Cán bộ cham nhận xét 1: TS Nguyễn Khánh SơnCán bộ châm nhận xét 2: TS Phạm Trung Kiên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Đại học Bách Khoa, DHQG Tp.HCMngày 14 tháng 9 năm 2012.

Thành phân Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1.TS Đỗ Minh Đạo2 PGS.TS Đỗ Quang Minh

3.TS Huỳnh Ky Phuong Ha

4.TS Nguyén Khanh Son

5.TS Pham Trung Kién

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn va Trưởng Khoa quan lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

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

NHIEM VU LUẬN VĂN THAC SĨHọ tên học viện: Nguyễn Hòa Dương MSHV: 11030686

Ngày, tháng, năm sinh: 02 — 01 — 1977 Nơi sinh: Binh Dinh

Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu vô cơ Mã số: 605290

I TÊN DE TÀI: DUNG BENTONITE CHÓNG THÁM BE TONGNHIEM VU VA NOI DUNG:

- Dung bentonite làm phụ gia chống thâm bê tông:

- Nguyên liệu: bentonite Na (huyện Tuy Phong — tỉnh Binh Thuận), các nguyênliệu khác tự chọn;

- Khảo sát ảnh hưởng của bentonite đến tính chat cơ lý của huyền phù xi măng —

bentonite và bê tông Đặc biệt là khả nang chông thâm cua bentonite;

- Nghiên cứu biến đối cau trúc mẫu đóng ran của huyền phù xi măng — bentonite

và bê tông nhăm giải thích bản chât khả năng chông thâm;

- Kết luận khả năng ứng dụng của phụ gia bentonite.I NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: tháng 02 năm 2012Il NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:tháng 8 năm 2012IHI.CÁN BỘ HUONG DAN: PGS.TS DO QUANG MINH

Tp.HCM, ngay 14 thang 9 nam 2012

CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

PGS.TS DO QUANG MINH PGS.TS DO QUANG MINH

TRUONG KHOA CONG NGHE VAT LIEU

Đề hoàn thành luận văn thạc sĩ này, em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô

của Khoa Công nghệ vật liệu — Truong Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, Quý Thay

Cô Bộ môn Công nghệ vật liệu silicat đã truyền đạt cho em những kiến thức quýbáu trong suốt quá trình học tập

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thay PGS.TS Đỗ Quang Minh đã nhiệttình hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu, Thay đã tận tình hướng dẫn cho

em các bước nghiên cứu, tìm nguồn tài liệu để hoàn thành luận văn một cách hiệu

quả nhất.Đông cảm ơn các em: Trang Việt Trí — sinh viên chuyên ngành Công nghệ

vật liệu vô cơ — Khoa Công nghệ vật liệu — Truong Dai học Bach Khoa Tp.HCM;

Nguyễn Thảo Nguyên và Nguyễn Thành Luân - sinh viên chuyên ngành Công nghệ

vật liệu xây dựng - Trường Cao đăng Xây dựng số 2 đã song hành cùng với tôitrong suốt quá trình nghiên cứu đề tài

LỜI CAM ĐOANLuận văn thạc sĩ này tác giả đã cùng Thay PGS.TS Đỗ Quang Minh — Chủ

nhiệm Bộ môn Công nghệ vật liệu silicat — Truong Dai Hoc bach Khoa Tp.HCM

hướng dẫn chuyên môn, cùng với một số sinh viên Bộ môn Công nghê vật liệu

silicat - Trường Dai Học bách Khoa Tp.HCM và một số sinh viên Bộ môn Vật liệuXây dựng - Trường Cao dang Xây dựng số 2 nghiên cứu Luận văn đã tham khảovà trích dẫn nguôn tài liệu gốc của một số tác giả khác, những phan tham khảo nayđã được chỉ rõ trong nội dung của luận văn này, những trích dẫn đều chỉ rõ nguồngốc và không làm thay đổi nội dung chính của tai liệu gốc

Tác giả xin cam đoan những kết quả trong đề tài là những kết quả trung thựcnhất và chịu hoàn toàn trách nhiệm về tính trung thực, khách quan trước Hội đồng

đánh giá luận văn, Bộ môn Công nghệ vật liệu silicat, Khoa Công nghệ vật liệu,Phong Dao tạo Sau đại học và Trường Đại học Bach Khoa Tp.HCM.

concrete waterproofing Especially for waterproofing "Bottom and wall tunnelbuilding" and "waterproof revetment wall in the ground" Raw materials used tomanufacture concrete including: PCB40 Holcim cement, stone chips 1x2 cm, riversand, bentonite and water Marx concrete research topics include 30MPa and20MPa.

The study of the influence of bentonite to some physical properties of thecement, slurry and concrete such as: water quality standards, setting time, volumestability, flow time, resolution floor, separated water, slump, compressive strengthand especially the waterproof ability.

The ability of bentonite waterproofing based on two basic mechanisms: theability to fill and chemical reaction between bentonite and cement to create a newmineral in concrete Threads using bentonite from 1-6% cement to make concreteform 20MPa and 30MPa, then try soaking in TCVN 3116:1993 The results showproof form using bentonite as much, the higher the waterproof ability Subjectfurther analysis to explain the mechanism of waterproofing, based on the results ofmicroscopic structural analysis of SEM and XRD mineral composition analysisappear mineral Fauzasite - a form of the mineral zeolite (a reaction betweenbentonite and cement), this Fauzasite mineral enhance waterproofing for concretebut appear about this Fauzasite not many.

Further research on the topic slurry cement-bentonite used to make"waterproof revetment wall" with the amount of bentonite / cement is 70kg/180kg;70kg/230kg; 85kg/IS0kg; 85kg/230kg the ability increasing waterproof, theappearance minerals Fauzasite more samples after curing.

From the above study, subjects concluded that the use of bentonite formaking waterproof concrete for the "Bottom and wall tunnel building" and makeslurry with cement-bentonite waterproofing "waterproof revetment wall in theground" is appropriate.

TÓM TẮT LUẬN VĂNLuận văn sử dụng đất bentonite Na (Tuy Phong — Bình Thuận) làm phụ giachống thâm cho bê tông Đặc biệt là chống thấm cho “Day và tường ham nhà caotang” và “ Tường chan chống thấm trong lòng đất” Nguyên vật liệu sử dụng đề chếtạo bê tông bao gồm: xi măng PCB40 Holcim, da dam 1x2 cm, cát sông, bentonitevà nước Mác bê tông nghiên cứu trong đề tài bao gồm 30MPa và 20MPa.

Đề tai nghiên cứu cơ chế ảnh hưởng của bentonite đến một số tính chat cơ lýcủa xi mang, huyền phù và bê tông như: lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết,độ 6n định thé tích, thời gian chảy, độ phân tầng, lượng tách nước, độ sụt, độ bềnnén và đặc biệt là khả năng chống thấm

Khả năng chống thấm của bentonite dựa trên hai cơ chế cơ bản: khả năng lấpđầy và phản ứng hóa học giữa bentonite và xi măng tạo các khoáng mới trong bêtông Dé tài sử dung bentonite từ 1 — 6% so với xi măng dé chế tạo mẫu bê tôngmác 20MPa và 30MPa, sau đó thử thắm theo TCVN 3116:1993 Kết quả thử thắmcho thay mẫu sử dung bentonite càng nhiều thì khả năng chống thâm càng cao Détài tiếp tục phân tích mẫu để giải thích cơ chế chống thấm, qua kết quả phân tíchcấu trúc tế vi SEM và phân tích thành phan khoáng XRD, xuất hiện khoáng

Fauzasite — một dạng của khoáng Zeolit (do phan ứng giữa bentonite va x1 mang),

khoáng Fauzasite này tăng khả năng chống thâm cho bê tông nhưng sự xuất hiệnkhoáng Fauzasite này chưa nhiều

Đề tài tiếp tục nghiên cứu trên nên huyền phù xi măng - bentonite dùng déchế tạo “tường chăn chống thấm” với hàm lượng bentonite/xi măng là 70kg/180kg:70kg/230kg; 85kg/180kg: 85kg/230kg thì khả năng chống thấm càng tăng, sự xuấthiện khoáng Fauzasite càng nhiều trong mẫu sau khi đóng rắn

Từ những nghiên cứu ở trên, dé tài kết luận rang viéc su dung bentonite déchế tao bê tông chống thâm cho “Day và tường ham nha cao tang” và chế tạo huyềnphù xi măng — bentonite chống thấm cho “ Tường chăn chống thấm trong lòng dat”

là phù hợp.

1.1 Mục tiêu dé tầi G1 T1 HH ng HH HH ng |1.2 Nội dung để tài - G2 skSv S5 E1 9 1 959 1 3 H1 ngưng nọ 3

1.2.1 Mục đích nghiÊn CỨU - - + 2= 11c S333311 3113155 911111115 1 1115555 4

1.2.2 Nhi6m VU dE 1 nnn 4

1.3 Nội dung nghién CỨU -< << c2 + 21 33331131 313315 99111111155 11115555 4CHƯƠNG 2 TONG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾTT 6

2.1 Tổng quan về chống thấm - G6 SE x8 E3 E98 983 E3 S3 E893 ve vs ca 6

2.1.1 Định nghĩa độ thấm — Độ chống thấm nước - 5 «<< s se £e+s£+ 62.1.2 Định nghĩa chất chống thấm 2+ 2 2 E22 E2 E2 5E E£EEE£E£z£E£seEz x2 62.1.3 Phân loại phụ gia chống thấm - ccc 52 52 S2 E E2 3 E23 EE£E£sEEEseerzerxa 6

2.2 Nguyên lý và yêu cầu kỹ thuật chống thấm “Đáy và tường hầm nhà cao

2.2.3.1 Vật liệu chống thấm chuyên dụng cho san đá y 5 + << £e+ 82.2.3.2 Vật liệu chống thấm chuyên dụng cho tường << << << << xes 82.2.4 Thi công bê tông chống thấm 2 - 22 6 E22 E2 E2 5E E3 EE£SE£EEEskErserke 9

2.3 Tổng quan về “Tường chắn chống thấTm” - «+ E28 +*E+£ se czesd 9

2.3.1 Dinh nghĩa tường chắn chống thames ccceccssecsssessscsssscssscsscesseees 92.3.2 Tiêu chuan cho tường chắn chống thấm 2 + - << se # xe £s£££zz£2 92.3.3 Quy trình đào hào chống thấm - 2 - ccceescssesseseecssssseeseeeeess 11

2.3.4 Thanh phần điều chỉnh của tường chắn xi măng — bentonite 132.4 Tổng quan cấu trúc bê tông và đá xi măng - 2s cccss s2 se se ceesd 15

2.4.1 Các quá trình hình thành cấu trúc của bê tông và đá xi măng 152.4.2 Cấu trúc bê tông và đá xi măng - c2 SE S3 SE Sk SH rg 172.5 Cơ sở lý thuyết quá trình thấm bê tông hoặc đá xi măng 17

2.5.1 Cấu trúc lỗ xốp của sản phẩm đá xi măng 2 + scsxss£sessceesd 17

2.5.2 Tai sao phải sử dụng benfOTI( - - cĂĂS S331 c2 11 vs se 19

2.5.2.1 Tổng quan benfOTIi{C - -ó- 6c sec x3 833 E319 1S E23 ng ng gu ngu 19

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ MÔ TẢ CÁC THÍ

NGHIỆM3.1 Nguyên liệu sử dụng trong luận văn + 5< << 2< xe eeeeeeees 34

3.1.2 Cốt liệu nhổ — cất SÔN << SE E1 E1 ng ng 343.1.3 Cốt liệu lớn — đá dam 1X2 cim - - +2 +2 +22 E22 Sex E+zeereezeeseersed 34

XI măng — D©nfOTIC c1 102030131311111 1101101111 vớ 38

3.4 MO ta cdc thi NGHIE°EM 011 393.4.1 Mô tả thí nghiệm thử thấm bê tong ¿2 52 + 22 2x £+s££zsezz£cx2 40

3.4.2 Mô tả thí nghiệm thử thấm huyền phù xi măng — bentonite 41CHƯƠNG 4 THUC NGHIEM KET QUA THÍ NGHIỆM VA ĐÁNH GIÁ 44

4.1 Kết quả thí nghiệm nguyên vật liỆU ¿2 + 5 S2 S2 erseezsers 44

4.3.1 Thiết kế cấp phối bê tông mác 300 theo ACI và Bolomey 55

4.3.2 Kết quả thiết kế cấp phối bê tông mác 300 theo ACI và Bolomey 604.3.2.1 Kết quả thiết kế cấp phối bê tông mác 300 theo ACT - 604.3.2.2 Kết quả thiết kế cấp phối bê tông mác 300 theo Bolomey 614.3.2.3 Kết quả thiết kế cấp phối bê tông mác 200 5< << sc+s£e se c2 62

4.3.3 Kết quả kiểm tra tính công tác bê tông mác 300 5 se ses£ssszse+ 624.3.4 Kết quả độ bỀn nén - cecescseccsseccescesccsccesessecescescssecaecesseaeeeeaseas 69

4.3.5 Kết quả thử thấm ccseccsscessscssccssscsssccssscssescssscsssccsscessscsassessecess 69

4.3.6 Kết quả phân tích thành phần khoáng -2- 2 +2 +s£++s££s££+x£sx£+s£2 73

4.3.7 Kết quả phân tích cấu trÚC t€ Vi - ¿52 2 2 E212 1 3E £zEEzkErseerserd 76

4.4 Kết qua thí nghiệm trên huyền phù xi măng - bentonife s«-s«- 834.4.1 Thiết kế cấp phối huyền phù xi măng — bentonite - «s2 ces2 834.4.2 Cấp phối huyền phù xi măng — benfOnII - 5 2 5+ £es£ sex ess£2 84

4.4.3 Kết quả mau đóng rắn ximăng — bentonite - 5 << se s sec szscs 89

4.4.3.1 Kết qua độ bỀn nén - - -G - + E3 E9 vn ng cư cư sec 89

4.4.3.2 Kết quả chống thấTm - - << se SE E3 E1 vn ke 914.4.3.3 Kết quả phân tích 16 XỐTP << + 3E E33 E1 ES E3 vn crkg 92

4.4.3.4 Kết qua phân tích thành phần khoáng - -2- 2 2s £+s££+s£ss£+s£2 96

4.4.3.5 Kết quả phân tích t€ Vici cessccsssccsscsssccssscessscssscssscesescsssessscessseess 97

CHƯƠNG 5 KET LUẬN VÀ KIEN NGHỊ, -cccc -eccccccvsee 104

5.1 Cơ chế chống thấm cho các công trình khi sử dụng bentonite làm phụ giachống thấm - - s E Ex k5 E1 E3 K1 cư kc 1045.2 Kết luận và kiến nghị - -c- << xxx 1kg rệt 1045.2.1 Kết lUận - -G «se E1 ng HH ng Hư rvkc 1045.2.2 Kiến nghị - . - - -G c- s1 HH TT Hư gkc 109

PHU LUC HÌNH - 2 2° 5< 4© 7181107408894 240te 111TÀI LIEU THAM KHAO., cccccscsssscsccsesscsccesececsecececesscsesessssecececsscescsecececsencces 114

CHƯƠNG 1: MỤC TIÊU, NỘI DUNG ĐỀ TÀI

1.1 Mục tiêu đề tài:

Hiện nay các tòa nhà văn phòng, trung tâm thương mại và đặc biệt là các

chung cư cao tầng đang được xây dựng tại các đô thị Việt Nam Trong các nhàcao tầng, phần ngầm là một bộ phận không thể thiếu Các kết cấu tầng hầmngoài yêu cầu phải chịu lực như những kết cấu khác, cần phải có độ chống thấmnhất định để thỏa mãn công năng do nhà thiết kế đặt ra

Chống thấm cho tầng hầm bằng bê tông cốt thép (BTCT) còn đảm bảocho thép cốt trong bê tông không bị ăn mòn Do vậy, đối với kết cấu BTCT tầnghầm, yêu cầu chống thấm không chỉ là yêu cầu sử dụng mà còn là điều kiệndam bảo cho công trình có độ bền vững cần thiết [1]

Mặt khác Việt Nam ta có rất nhiều sông suối, đặc biệt là ở khu vực đồng

bằng sông Cửu Long có hệ thống sông ngòi rất day đặc Với hệ thống sông ngòi

dày đặc như vậy rất thuận lợi để phát triển các nhà máy thủy điện, công trìnhthủy lợi Tuy nhiên, bên cạnh các thuận lợi đó ta cũng gặp rất nhiều khó khăn.Do có nhiều sông ngòi nên đất ở các khu vực này có độ ẩm tất cao Vì vậy khi ta

tiến hành xây dựng các công trình giao thông, thủy lợi như đê, đập, hào, đường

giao thông sẽ gap rất nhiều trở ngại do nước ngầm trong đất thấm vào gây ăn

mòn, sụp lở đất, làm hư hại công trình [2]

Để khắc phục tình trạng này, ta dùng phải dùng các phụ gia chống thấmcho các công trình xây dựng dân dụng - đặc biệt là đáy và tường hầm nhà caotầng, và xây dựng các tường chắn chống thấm trong lòng đất để ngăn cẩnnước ngầm trong đất thấm vào gây hư hại các công trình giao thông, thủy lợi

Tường chắn chống thấm bằng huyền phù bentonite đã được sử dụng ngàycàng rộng rãi trên thế giới trong những năm gần đây để ngăn chặn các dòng

độ để chịu tải trọng Việc bổ sung xi măng tạo thành huyền phù xi măng —Bentonite đã làm cho tường chắn chống thấm có cường độ cao hơn và có thể

chịu được tải trọng lớn hơn.

Với ưu điểm nổi bật về tính chống thấm của bentonite, các công trình sửdụng betonite như: Cầu Vân Đồn (Quảng Ninh), Cầu Yên Lệnh, Khu đô thị mới

Nam Trung Yên (Hà Nội), công ty công trình giao thông 10 Nha Trang (KhánhHòa) [3 |

Giải pháp chống thấm bằng tường chắn xi măng — bentonite đã được ứng

dụng chống thấm cho một số đập lớn như Dầu Tiếng, Esoup, Am Chua và đã

mang lại hiệu quả chống thấm tốt [2]

Các công trình xây dựng và ngành dầu khí Việt Nam hiện nay ngoài việcsử dụng bentonite trong nước với giá khoảng 800.000 đồng/tấn còn nhậpbentonite từ các nước khác như : Nhật, Singapore, Australia, Đức, Ấn Độ

1.2 Nội dung dé tài:Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nước có thể xuyên qua bê tông bằng 2 con

đường: thứ nhất, khi mà áp suất thủy tĩnh trên một phía của khối bê tông, nước

và các tác nhân đối kháng có thể đi qua bất kỳ con đường nào mà nó liên quantới hai bề mặt của bê tông; thứ 2, nước có thể bị hấp thụ bỡi hoạt động mao dẫnvà đi qua bê tông tới bề mặt nơi mà nó bay hơi do khi tiếp xúc với bề mặt không

bão hòa [4|

Để giảm khả năng thấm nước người ta thường sử dụng các phụ gia chống

thấm bằng các hóa chất hoặc phụ gia ở dạng vật liệu mịn như: bentonite, xi vađá bot, vv Các vật liệu có độ hoạt tính, chúng làm đặc vữa xi măng bởi sự thay

thế các tinh thể hydroxit canxi với sản phẩm silicat canxi hydrat như gel mịn

hơn

Nhận thức được vấn dé này, cộng với những hiểu biết đã tiếp thu được

trong quá trình học tập tại Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM cũng như từ

ngoài xã hội nên tôi đã chọn đề tài “Dùng bentonite làm phụ gia chống thấm

cho bê tông ”

Trong luận văn này, tác gia nghiên cứu su dụng xi măng portland PCB40

HOLCIM và bentonite Na Bình Thuận để chế tạo bê tông mác 200 và 300 ứngdụng chống thấm cho đáy và tường hầm nhà cao tầng đồng thời tạo huyềnphù xi măng — bentonite ứng dung làm tường chắn chống thấm;

Đồng thời, xem xét ảnh hưởng của phụ gia bentonite và sự thay đổi hamlượng của nó đến một số tính chất cơ lý khác như: lượng nước tiêu chuẩn, độ ổnđịnh thể tích, thời gian ninh kết, tính công tác cũng như độ bền nén của bê tông:xem xét sự thay đổi về tính chất của huyền phù cũng như mẫu đóng rắn xi măng

— bentonite khi thay đổi hàm lượng của xi măng va bentonite trong Im” huyền

phù Từ đó rút ra kết luận về kha năng chống thấm của bentonite Na BinhThuận ứng dụng chống thấm cho các công trình dân dụng cao tang, các công

trình giao thông, thủy lợi.1.2.1 Mục đích nghiên cứu:

Nghiên cứu khả năng chống thấm của bê tông (mác 300 và 200), hàm

lượng bentonite từ 1-6% so với xi mang;

Nghiên cứu huyền phù xi măng - bentonite ứng dụng làm tường chắnchống thém cho các công trình giao thông thủy lợi;

Nghiên cứu ban chất khả năng chống thém của bentonite;

độ ổn định thể tích, tính công tác.1.2.2 Nhiệm vụ đề tài:

Xác định các chỉ tiêu cơ lý nguyên liệu;

Thiết kế cấp phối hợp bê tông và cấp phối huyền phù;

Đánh giá sự anh hưởng của bentonite khi cho vào bê tông từ 1-6% so với

xI măng;

Xác định khả năng chống thấm và các chỉ tiêu cơ lý cửa bê tông tương

ứng với hàm lượng betonite từ 1-6% so với xi măng;

Xác định khả năng chống thấm và các chỉ tiêu cơ lý của huyền phù xi

* Nguyên vật liệu:- Xi măng poóc-lăng PCB40 (xi măng Holcim);

- Cốt liệu lớn: đá dim 1x2 (cm);- Cốt liệu nhỏ: cát sông;

- Nước;

- Phụ gia: bentonite Na (Tuy Phong — Binh Thuận).

* Thiét kế cấp phối bê tông:- Chế tạo bê tông Mác 300, 200, độ sụt I0+2cm- Phương pháp chế tạo: theo phương pháp ACI và Bolomey — Stramkaev

* Hàm lượng phụ gia bentonite: | — 6% so với xi măng

* Thiết kế huyền phù xi măng - bentonite

2.1.1 Định nghĩa độ thấm - độ chống thấm nước:Độ thấm nước của bê tông là kha năng nước bị xuyên qua dưới một áp lựcnhất định

Độ chống thấm nước của bê tông được xác định bằng cấp áp lực nước tốiđa mà ở đó 4 trong 6 viên mẫu thử hình trụ 150x150 mm chưa bị nước xuyênqua Áp lực đó gọi là mức chống thấm của bê tông ký hiệu bằng B2, B4, Bó, B8,B10 và B12 (2,4,6, là áp lực thủy tĩnh tính bằng daN/cm’)

2.1.2 Dinh nghia chất chốnø thấm:Chất chống thấm là một vật liệu (bột hay chất lỏng) mà khi trộn với bê

tông tươi nó gây ra các hiện tượng sau:

> Giảm tính thấm thủy nh của khối bê tông bảo dưỡng;

> Đẩy nước hay tinh chất hydrophobic làm cho bê tông đông cứng

2.1.3 Phân loai phu gia chống thấm:

Có thể phân loại phụ gia chống thấm thành 3 nhóm sau:

> Chất giảm thấm như: đá bot, diatomit, bentonite,

> Chất đẩy nước hay chất hydrophobers như: xà phòng, butyl sterat,

> Các hóa chất chống thấm khác: sáp, xenlulo, bột natri silicat và

> Nâng cao khả năng chống thấm của kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) đáy

và tường tầng hầm bằng bê tông chống thấm;> Chống thấm bổ sung phía ngoài tang hầm bằng các vật liệu đàn hồi, tấm

chống thấm đúc sẵn

2.2.1.1.Nâng cao khả năng chống thấm của kết cấu BTCT> Nâng cao khả năng chống thấm của bê tông tang hầm bằng việc sử dụng

phụ gia hoạt tính siêu mịn như: silicafume, tro bay, bentonite.,

> Khi lựa chọn cấp chống thấm của bê tông dùng thi công tường và đáy

tầng hầm cần quan tâm chiều dày kết cấu và chiều cao mực nước ngầm Mốiliên hệ giữa chiều dày kết cấu BTCT và chiều cao mực nước ngầm với cấpchống thấm cần thiết của bê tông theo bang sau:

Bảng 2.1 Mối liên hệ giữa chiều dày kết cấu BTCT và chiều cao mực nước

ngâm với cấp chống thấm cần thiết của bê tông

Tỷ lệ H/d Mức chống thấm cần thiết

< 10 B6

10— 15 B815 — 20 B1225-35 B16> 35 B20

Ghi chú: H — chiều cao mực nước ngầm; d — chiều dày kết cấu BTCTSố liệu ở bảng | cho thấy cấp chống thấm càng cao khi chiều dày lớp bê

tông bảo vệ càng nhỏ hoặc chiêu cao mực nước ngâm càng lớn

phía ngoài kết cấu BTCT.

2.2.1.2.Chống thấm bổ sung:

Trong trường hợp việc nâng cao khả năng chống thấm của bê tông kết

cấu tầng hầm chưa đáp ứng được yêu cầu (về mức độ chống thấm, hệ số an toànhay tính kinh tế) có thể xem xét các biện pháp chống thấm bổ sung Đó là các

giải pháp kỹ thuật nhằm bao bọc toàn bộ phía ngoài kết cấu BTCT bằng các tấm

chống thấm đúc sẵn hoặc các màng chống thấm đàn hồi.2.2.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với hỗn hop bê tong và bê tong chống thấm:

> Cường độ nén ở tuổi 28 ngày không nhỏ hơn mác thiết kế;> Mức chống thấm không thấp hơn mức chống thấm cần thiết (chọn theo ty

> Không cho nước xuyên qua;

> Chiều dày không nhỏ hơn 3mm;2.2.3.2 Vật liệu chống thấu chuyên dụng cho tường:

Thường dùng các loại tấm đúc sẵn trên cơ sở bitum hoặc bentonite, các

màng chống thấm đàn hồi hoặc các dung dịch kết tinh

2.2.4 Thi cônø bê tônø chong thấm:

Thi công bê tông chống thấm cần tuân thủ theo các quy định trong TCVN

4453 — 1995 “ Kết cấu bê tông và BTCT — Quy phạm thi công và nghiệm thu”

2.3.Téng quan về “TƯỜNG CHAN CHONG THẤM” [2]

2.3.1.Dinh nghia:

« “Tường chắn chống thấm” là một rào chắn đặt trong lòng đất, có tinh

chống thấm cao và có tác dụng ngăn chặn dòng nước ngầm trong đất

kênh dẫn nước cho các công trình thủy lợi , nếu đất tại vị trí thi công có độ ẩm

cao sẽ dễ dàng bị sụp lở gây khó khăn cho việc xây dựng Ngoài ra, tại những vị

trí có mạch nước ngầm thì dòng nước trong đất này sẽ thấm vào từ 2 bên vách

tường của các công trình này, sau một thời gian lâu dài sẽ làm hư hại các bờ đê,

đập Do đó, “tường chắn chống thấm” có tác dụng ngăn chặn dòng nước ngầm

thấm vào gây hư hại cho các công trình

Cải tạo các đê và đập cũ trong lòng đất.2.3.2.Tiêu chuẩn cho tường chắn chống thấm:

Các mẫu “tường chắn chống thấm” thường như sau:

¢ Tường chắn từ huyền phù xi măng va bentonite;e Chiều rộng của tường: 60 cm (0,4 — 1,5m);e Tường chấn có thể có độ sâu rất lớn trong lòng đất (tối đa đến 60m);

« _ Thời gian đóng rắn thấp;« Tinh chống thấm cao.Phương pháp thi công “tường chắn chống thấm”: có hai phương pháp thi công

s* Tường chắn sử dung 2 pha (huyền phù bentonite và bê tông tươi):e Pau tiên, ta sử dụng huyền phi bentonite để tiến hành đào các rãnh đượcthuận lợi Huyền phù bentonite có tác dụng tạo lớp màng giữ thành đất không bị

sạc lỡ gây khó khăn cho việc đào rãnh.

e Sau đó, thay thế huyền phù bentonite bằng vữa bê-tông với tính chẩy caođã được trộn sẵn Do vữa bê-tông có ti trọng cao hơn huyền phù bentonite nênkhi đổ bê tông tươi vào thì huyền phù bentonite trào ra ngoài Ta thu lại lượnghuyền phù bentonite này va có thé tái sử dụng

¢ Sau một thời gian, bê tông tươi đóng rắn tạo thành “tường chắn”

s* Tường chắn sử dung 1 pha (huyền phù xi măng — bentonite)e Pau tiên, đào rãnh để thi công tường chắn Chiều rộng của rãnh nếu quálớn sẽ gây tiêu tốn nhiều nguyên liệu, còn nếu chiều rộng quá hẹp thì kha năng

chịu tải và tác dụng chặn dòng nước sẽ bị giảm.

e Sau đó đổ huyền phù xi măng — bentonite vào trong rãnh qua phéu Tốcđộ đổ huyền phù vào rãnh phải được điều chỉnh sao cho huyền phù vào đềutrong rãnh và huyền phù không bị tắt trong phéu

¢ O tường chắn sử dụng 1 pha thì ta không thu hồi lại huyén phù giống như

ở tường chắn sử dụng 2 pha

e _ Thời gian đóng rắn của huyền phù xi măng — bentonite rất chậm

2.3.3 Quy trình đào hào chống thấnn:

Thiết bị thi công tường hào chống thấm« 2 máy đào sức nâng 60+70 tấn;

e 2 gau đào chuyên dùng, dai 7m, cao 2,8m, rộng 0,6m nặng 7 tấn;

© May xúc hỗ trợ đưa đất đào hào ra bãi thải;¢ Ô tô chở đất đào hào ra bãi thai;

« Các thiết bi và máy chuyên dùng đi theo các thiết bị trên.Trình tư thi công hào chống thấm

« _ Xây dựng tường dẫn hướng miệng hào: tường dẫn hướng miệng hào được

xây dựng bằng BTCT, chiều cao tường h = 0,8+1,0m, chiều dày tường trung bìnhb = 0,25m, khoảng cách hai tường phụ thuộc vào chiều dày hào chống thấm vàthiết bị gầu đào hào chống thấm, nếu chiều dày hào chống thấm là 0,6m thìkhoảng cách giữa hai tường chọn là 0,63m Nhiệm vụ của tường dẫn hướng là đểđịnh vị tuyến tường chống thấm, độ thang đứng của tường hào và tường dẫnhướng còn có nhiệm vụ bảo vệ đầu tường chống thấm trong suốt quá trình thi

công và sau khi thi công xong tường chống thấm

Tầng thấm ít

Hình 2.3 Tường hào xi măng —bentonite chống thấm cho đập đất«_ Công tác đào hào chống thấm được phân ra thành các panel sơ cấp vàpanel thứ cấp, các panel sơ cấp đào trước và các panel thứ cấp đào sau, thời gian

dao panel thứ cấp giữa 2 panel sơ cấp không sớm hon 48 giờ để dam bảo cho các

panel sơ cấp đông cứng và không bị sụp lún

Hình 2.4 Sơ đồ đào hào chống thấm trên các panel

Trình tự thi công: Thi công theo thứ tự từ Panel

có số thứ tự bé đến panel có thứ tự cao.

e Dùng máy đào và gầu đào chuyên dùng để đào đất trên tuyến hào dựkiến làm hào chống thấm Trong quá trình đào hào cần theo dõi so sánh và đánhgiá tính chất của đất đào hào so với địa tang của đất trong hồ sơ thiết kế để điều

chỉnh kịp thời các chỉ tiêu kỹ thuật của vữa xi măng — bentonite bảo vệ thành

vách hố đào và điều chỉnh biện pháp đào hào sao cho vách hào không bị sập

« COng tác thi công đào hào chống thấm trên mỗi panel phải kết thúc sớmhơn thời gian đông kết của xi măng, nếu thi công panel nào vượt quá thời giantrên thì panel đó phải đào bỏ toàn bộ thi công lại.

e Công tác kiểm tra lấy mẫu thí nghiệm trên mỗi panel đã thi công thựchiện theo đúng yêu cầu của hồ sơ thiết kế và chủ đầu tư

«_ Trong quá trình dao hào xây dựng tường chống thấm, dé đảm bảo dung

dịch xi măng — bentonite luôn đầy trong hào, khi gầu đào bắt đầu nhô lên khối

mặt dung dịch người trưởng ca thi công báo ngay cho người vận hành ở trạm trộnbằng máy bộ đàm Ngay lập tức vữa xi măng - bentonite được vào khoang dao

bù vào thể tích đất vừa được gầu đào đưa ra khỏi khoan đào Việc bù vữa xi

măng - bentonite liên tục trong quá trình đào đất sẽ giữ cho thành hào không bịsạt lở hạn chế công việc xử lý đất sat 16 và tiết kiệm được vữa chống thấm

Hình 2.5 Thi công tường hào xi măng — bentonite chống thấm cho đập đất

2.3.4 Thanh phần điển hình của tường chắn xi mang — bentonite:Thông thường thì thành phần trong 1m” huyền phù xi măng — bentonite

ứng dụng làm tường chắn chống thấm như sau:

e 35— 50kg bentonite;e 175 — 50kg xi măng;

e« 2- 10kg phụ gia (nếu cần thiết);

e Nước (khoảng 900l1í0.

Bentonite được sử dụng là các loai sau:

Ngoài ra, để kéo đài thời gian đóng rắn của huyền phù tránh tinh trạnghuyền phù bị đóng rắn trước khi được bơm vào rãnh, ta sử dụng chất ức chế làm

chậm đóng rắn

b.Ảnh hưởng của đất và nước ngầm:

Trong quá trình đào rãnh, thi công tường chắn thì đất và nước ngầm bịlẫn vào trong huyền phù làm ảnh hưởng đến các tính chất của huyền phù Nếucác hạt đất, đá có kích thước lớn lẫn vào trong huyền phù làm cho mật độ củahuyền phù khi đóng rắn không sít chặt, kết quả là cường độ và độ chống thấmcủa tường chắn bị giảm Tương tự, khi lượng nước ngầm trong đất hòa vào huyền

phù làm cho tỉ lệ nước/xi măng tăng lên dẫn đến cường độ và độ chống thấmcủa tường chắn bị giảm

Ngoài ra các chất có sẵn trong đất (muối, clorid, chất hữu cơ ) cũng gây

ảnh hưởng đến các tinh chất của huyền phù xi măng — bentonite.4 Trong phạm vi của luận văn này, ta chỉ sẽ khảo sát các tính chất của huyền

phù bi măng — bentonite mà không sử dụng phụ gia Bên cạnh đó, tất cả các thí

Giới han chảy Nr 3-— 5

Bang 2.3 Yêu cầu đối với mẫu xi măng — bentonite đóng rắn

Mẫu đóng rắnCường độ về lâu dài đạt giá trị từ 1,5 — 2,0 MPa

Cường độ Modul đàn hồi của tường chắn (có kha năng biến

dạng dẻo khi có địa chấn, không bị giòn gẫy)

Ww

Hệ số chống; < 1.10° (cm/s)

thẩm (K,)

2.4 Tổng quan cấu trúc bê tong và da xi mang: [5]

2.4.1 Các quá trình hình thành cấu trúc của bê tông va đá xi măng:Giai đoạn đầu: Khi nhào trộn với nước trong quá trình thủy phân C:S,

Ca(OH), được tách ra tạo thành dung dịch bão hòa Trong dung dich này có ion

sunfat, hydroxit và kiểm, cũng như một ham lượng không lớn nhóm nhôm oxit,silic oxit và sắt oxit Nong độ các ion canxi và sunfat cao do quan sát thấy 6 mộtthời gian kéo đài kể từ khi nhào trộn xi măng với nước, sin phẩm mới tạo thànhđầu tiên Ca(OH), và Ettringhit;

Giai đoạn hai: Đặc trưng bằng sự tạo thành các hydro silicat rất nhỏ trong

phản ứng chỉ tham gia các lớp bé mặt của xi măng, kích thước hat xi măng gidmkhông đáng kể Các pha hydrat vừa tạo ra gọi là gel xi măng, có đặc trưng hạtrất mong Các sdn phẩm mới tạo thành trước tiên xuất hiện trên bé mặt các hạtxi măng Trong suốt giai đoạn này, hồ xi măng ở dạng huyền phù đặc, ổn định

bằng các lực keo tụ được tạo thành Tuy nhiên, lực hút giữa các phân tử xi măng

trong nước thường yếu do xảy ra sự hấp phụ nước từ từ bằng các lớp v6 bề mặtcủa các hạt xi măng, bé dày các vách ngăn bằng nước giữa các hạt giẩm, từ từgiảm độ lưu động của hồ và hỗn hợp bê tông trong các lớp vỏ gel xuất hiện ápsuất thẩm thấu Các lớp vỏ bên trong hạt xi măng khi tác dụng với nước nở ra

Kết quả là các lớp vỏ gel bị phá vỡ làm nước tiếp xúc sâu vào các hạt xi măng

dễ dàng hơn, thúc đẩy sự thủy hóa của xi măng;Giai đoạn ba: quá trình thủy hóa bắt đầu Giai đoạn đặc trưng bởi sự bắtđầu kết tinh của Ca(OH), từ dung dịch Quá trình này xảy ra rất mạnh Bởi vì

giai đoạn này có số lượng pha hydrat rất ít nên trong khoảng không giữa các hạt

xi măng xảy ra sự phát triển tự do của các phiến mỏng của Ca(OH)›, C-S-H và

Ettringhit dạng hình kim được hình thành cùng lúc Các sợi này xuyên qua các lỗrỗng, chia nhỏ chúng ra tạo thành mối liên kết không tăng độ bám dính giữa cácpha hydrat và các hạt xi măng Khi tăng số lượng các pha hydrat giữa chúng xuất

hiện các tiếp xúc trực tiếp, số lượng của chúng tăng lên, hồ xi măng đông kết,

đóng rắn tạo thành đá xi măng;

Cấu trúc cứng tạo thành ban đầu còn rất xốp nhưng dần dần chúng đượclèn chặt ở trong các lỗ rỗng chứa day nước của cấu trúc liên tục xuất hiện cácpha hydrat mới Thể tích lỗ xốp và kích thước của chúng giẩm, tăng số lượngtiếp xúc giữa các sản phẩm mới tạo thành các lớp vỏ gel nên hạt xi măng dàythêm và được lèn chặt, phát triển các gel xi măng có lẫn các hạt xi măng chưa

thủy hóa.

2.4.2 Cấu trúc bê tônø và đá xỉ măng:Các dạng cấu trúc cơ bản là: đặc, tổ ong và hạt Cấu trúc đặc bao gồm

khung đặc liên tục của vật liệu rắn là đá xi măng, cấy vào đó các hạt cốt liệu đủ

bền liên kết với vật liệu khung Cấu trúc khác biệt ở chỗ trong môi trường liên

tục của vật liệu rắn phân bố các lỗ rỗng có kích thước khác nhau ở dạng hốc kínđộc lập Cấu trúc hạt là tập hợp các hạt vật liệu rắn liên kết với nhau

Vật liệu có cấu trúc đặc là vật liệu có cường độ lớn nhất, vật liệu có cấu

trúc hạt có cường độ bé nhất Vật liệu đặc chắc ít thấm hơn so với vật liệu tổong, còn tổ ong ít thấm hơn so với vật liệu có cấu trúc hạt Cấu trúc tổ ong có độ

hút nước cao nhất

Cấu trúc bê tông, về nguyên tắc là đẳng hướng nghĩa là các tính chất củachúng theo các hướng khác nhau gần như giống nhau Tuy nhiên, bằng các biệnpháp tạo hình đặc biệt đưa vào các thành phần cấu trúc đặc biệt cho cấu trúc củabê tông có thể tạo nên tính dị hướng Nghĩa là các tính chất của chúng ở những

hướng khác nhau sẽ khác nhau

2.5 Cơ sở lý thuyết quá trình thấm của bê tông hoặc đá xỉ măng:

Các lỗ xốp mao quản trong cấu trúc bê tông hoặc đá xi mang là yếu tốchính quyết định tính thấu của mẫu đá xi măng cũng như bê tông

2.5.1 Cấu trúc lỗ xốp của san phẩm đá xi măng: [5]

Khối đá xi măng sau khi đóng rắn gồm hai thành phần:

Pha rắn;

Lỗ xốp (pha khí hoặc chứa đầy nước).Có thé phân lỗ xốp thành các dạng sau:

1 Lỗ xốp chứa các lớp gel, kích thước khoảng 0,5 — 2,5nm Độ xốp gel

khoảng 28 % thể tích Nước không thể thấm qua lỗ xốp dang gel (phân tử H;O

có kích thước 0,25nm) Lượng nước trong các lỗ xốp này khi bay hơi là nguyên

3 Lỗ xốp không khí lẫn vào khi trộn xi măng hoặc bê tông, kích thước

tương đối lớn, có thể nhìn thấy bằng mắt thường.Nhu vậy, để tránh tao lỗ xốp trong xi măng portland đóng rắn, cần lượngnước phan ứng vừa đủ Với xi măng portland thông thường cần 0,3 — 0,5 lit

H;O/lkg xi măng portland trộn bê tông ưới; 0,5 — 0,7 lít H;O/lkg xi măng

portland dẻo Lượng nước ít, quá trình thủy hóa không đầy đủ Nhiều nước, đá ximang có nhiều lỗ xốp, độ bền cơ và bén hóa xi măng portland cũng giảm Các

chất tăng cường độ xi măng portland hoạt động theo nguyên tắc làm giảm lượnglỗ xốp trong cấu trúc đá xi măng Các chất chống thấm cho xi măng hoạt động

theo nguyên tắc giảm thiểu hoặc bịt kin các lỗ xốp của xi măng.Chất chống thấm có thể có nguồn gốc vô cơ hay hữu cơ Các chất chống

thấm hữu cơ thường là các polyme

= Co chế tác dụng của các chất chất thấm vô cơ như sau: phụ gia chống

thấm có thể tạo ra dưới dạng bột, hồ hay dạng lỏng và có thể chứa vật liệu lấp

kín lỗ xốp hay vật liệu ky nước Các loại vật liệu lấp kín lỗ xốp là: silicat của

sođa, nhôm sunphát hoặc đá phấn được nghiền mịn Tác dụng chính là cải thiện

tính dé thi công, giảm lượng nước Nó làm cho bê tông trở nên đặc chắc và cơ

bản là để chống thấm Các chất chống thấm nguồn gốc vô cơ thường có tác dụng

theo cơ chế kết tinh trong lỗ xốp, nhờ đó ngăn cản khả năng ngấm nước của đá

xI măng.

= Co chế tác dụng của các chất chống thấm polyme như sau: trộn chung

polyme vào xi măng, ban đầu các polyme tan trong nước Sau đó các polyme

dóng rắn lại (polyme hóa) với tốc độ đóng rắn chậm hơn tốc độ đóng rắn của ximăng Quá trình polyme hóa xảy ra chậm trong các lỗ xốp khi xi măng đã đóngrắn có tác dụng bít kín các lỗ xốp Việc dùng polyme cũng làm giảm lượng nướcgia công thực tế trong quá trình đóng rắn xi măng portland Nhờ có polyme cáclỗ xốp trong xi măng giảm, nước khó thấm qua cấu kiện

4 Vivdy muốn giảm tính thấm cần phải giảm lỗ xốp, bằng 2 phương pháp:> Phương pháp cơ học: dùng những vật liệu có kích thước mịn để bịt kín cáclỗ xốp

> Phương pháp hóa học: những vật liệu có kha năng phản ứng với xi mang

để tạo thành một khoáng mới mà khoáng này có khả năng chống thấmNguyên liệu có kha năng đáp ứng cd hai điều kiện trên là BENTONITE

2.5.2 Tai sao phải sử dung BENTONITE?Bentonite có kích thước rất mịn sẽ bịt kín các lỗ xốp, ngoài ra khoáng này sẽ

phan ứng với xi măng để tạo thành một khoáng ZEOLIT, khoáng này có kha

năng chống thấm rat cao

2.5.2.1 Tong quan BENTONITE [3]a Nguồn gốc:

Thuật ngữ bentonite ra đời vào khoảng năm 1890, lần đầu tiên người tatim thấy bentonite ở xung quanh pháo đài Benton, Wyoming Phan tử chính va là

nhân tố xác định nên bentonite là khoáng montmorillonite

b Phân bố:

Trên thé giới:

- Các mo bentonite lớn ở Mỹ, Trung Quốc, Hy Lạp, Pháp, Đức, Nhật.

- Năm 2005, nước Mỹ năm trong những nước đứng đâu về sản xuấtbentonite, sau Trung Quốc và Hy Lap (theo nghiên cứu của nhóm khảo sát địachất nước Anh) Hầu hết bentonite natri chất lượng tốt được khai thác ở Mỹ, ởnhững vùng giữa đổi Black (phía nam Dakota) và Big Horn Basin củaWyoming.bentonite natri cũng được tìm thấy ở Ty Nam nước Mỹ, Hy Lap và ở 1số vùng trên Thế Giới Nơi có lượng bentonite lớn nhất thế giới hiện nay làChongzuo, thuộc tỉnh Guangxi của Trung Quốc

Ở Việt Nam:- Từ những năm 70 của thế kỷ trước, bentonite được giới thiệu vào Việt

Nam gắn liền với hào chống thấm đập Kè Gỗ (Hà Tĩnh), đập Núi Cốc (TháiNguyên), những năm sau này với khoan thăm dò dầu khí, khảo sát địa chất vàkhoan cọc nhồi, làm tường hầm nhà cao tầng

- Tổng trữ lượng tài nguyên bentonite thăm dò được ở Việt Nam khoảng400 triệu tân Sản lượng khai thác, chế bién còn rat thấp Theo niên giám thống

kê năm 1998, sản lượng các năm chỉ [đật dưới 5.000 tan

- Các mỏ bentonite nỗi tiếng ở nước ta: mỏ Gia Quy (Đồng Nai), mỏ DaiHiệp (Lâm Đồng) Ngoài ra còn phát hiện các mỏ bentonite ở Gia Lai — Kon

Tum, Tuy Phong (Binh Thuận), Khánh Hòa, rải rác ở Bà Ria Vũng Tàu.

- Dải quặng sắt bentonite ở vùng Tây Nam Sông Hậu từ Long Xuyên (An

Giang) lakn Sóc Trăng có trữ lượng và chat lượng tot.

- Hầu hết các sét bentonite Việt Nam giàu nhôm, nên có thể làm phụ giatrong công nghiệp chế biến xà phòng, bột giặt, giây, thuốc trừ sâu

- Một số vùng khoáng sét thuộc loại gidu canxi như vùng Sông Ba, DiLinh cho một loại sét quí được sử dụng làm chất hấp phụ, xúc tác trong côngnghiệp tay màu, tay dầu mỡ, công nghiệp thực phẩm, phân bón tong hợp, tong hợp

hữu cơ

- Một số vùng khoáng sét khác giàu magiê như một số lớp ở vùng Di Linhvà vùng đồng băng sông Cửu Long được sử dụng trong công nghiệp khai thác vàchế biến dau khí, đặc biệt là thành phân chính dùng pha chế dung dịch khoan

nhằm nâng cao khả năng làm sạch lad y giếng khoan, tăng tốc độ khoan và tuổi

tho của mũi khoan (do nâng cao hiệu ứng thủy lực và bôi trơn), ngăn cản sự matnước khi khoan qua các lớp đất xốp, tạo nên một lớp vỏ sét mỏng và áp lực thủytĩnh làm giảm đến mức tối thiểu ảnh hưởng của quá trình khoan đến các thành tạolỗ khoan, giảm giá thành giếng khoan

c Cấu trúc bentonite:

- Bentonite là một loại đất sét, có khoáng chính là montmorillonit- Montmorillonit có cấu trúc dạng lớp thuộc họ cấu trúc 2:1 phylosilicate và đượcviết công thức (Na,Ca)o(AI,Mg)sSi4O¡o(OH)s.nH›O với cấu trúc hình dưới đây:

STRUCTURE OF

MONTMORILLONITE

MODIFIED FROM GRIM (1962)

Hình 2.6 Cấu trúc khoáng montmorilonite

- Ở montmorillionit mỗi lớp cau khoáng sét gồm 2 tứ diện hai phía quayđỉnh chung về một phía bát diện ở giữa Đặc điểm cấu tạo của nhóm này là ion

SỈ” (tâm tứ dién) có thể bị thay thế bởi Fe *, MgTM*, Zn Sự thay thế đó bằng

những cation ít điện tích làm cho toàn mang tinh thể thiếu điện tích dương, tức là

khoáng sét phải điện tích âm Dé bù cho sự thiếu hụt đó, các cation Na”, CaTM sẽ được phân bố vào giữa lớp Khi cho khoáng sét vào nước thì các cation giữa

hai lớp đó sẽ được trao đổi bởi các cation trong nước Đó là quá trình trao đổi

cation, một đặc trưng quan trọng của các sét bentonite và tất nhiên cả các nhóm

sét nhưng mức độ kém hơn nhiều Mặt khác, ở bentonite hai lớp cạnh nhau sẽ

xếp hỗn hợp do liên kết giữa chúng yếu - liên kết Vandevan, gây nên bởi —OsiO-, chứ không có OH tức là không có liên kết hydro Do vậy mà khoảngcách giữa hai lớp dễ bi làm loãng bởi nước và chất lỏng phân cực khác, gây nênhiện tượng trương nở mạng rất đặc trưng cho khoáng montmorillonit

d Phân loại bentonite:

Có thể phân thành 2 dạng:

Bentonite trương nở (bentonite natri): nở phông ra khi gặp nước, có khanăng hút nước nhiêu lần Nó hau như được sử dụng trong công nghệ khoan bùn ởnhững mỏ dau, mỏ gas và trong việc nghiên cứu môi trường, địa chất;

Bentonite không trương no (bentonite canxi): được bán ra cho thị trường

sức khỏe vì nó có tính chất làm sạch, thường được hòa vào nước và người ta annó như là một cách để kiêng rượu, một thói quen bentonite được biết là “thói ăndat”, câu trúc micro của bentonite sé kéo tạp chat ban từ hệ tiêu hóa vào nó, sauđó cả bentonite và chat ban sẽ được thải ra ngoài

Bentonite canxi có thể biến đổi thành bentonite natri băng phương pháptrao đối ion Thông thường thêm 5 — 10% natri cacbonate vào bentonite âm ướt,trộn déu, quá trình trao đổi ion sẽ diễn ra trong thời gian nhất định

e Các tinh chất cơ bản của bentonite:

* Tính trương nở:

Khoảng cách cơ bản giữa các lớp trong khoáng sét có thể bị thay đổi nóphụ thuộc vào lượng nước liên kết nằm ở khoảng không gian giữa các lớp Ở đótôn tại cdc cation và nếu năng lượng solvate đủ lớn để thắng lực hút giữa các lớpthì khoảng cách giữa các lớp tăng lên và làm sét bị trương nở, có thể tăng 20-30lần thể tích của nó

, Nee

* Tinh trao đối 10n:

Sự trao đổi ion của khoáng sét với ion dung dịch bên ngoài chủ yếu xảy ratại lớp cấu trúc Sự trao đổi ion được thực hiện hoàn toàn khi cho sét phân tántrong dung dịch muối có nồng độ thích hợp Tính axít của đất sét có được là nhờvào sự trao đối ion nay

* Tinh hấp phu:

Sau khị hoạt hóa thông thường trên bể mặt khoáng sét luôn xuất hiện

đồng thời các tâm axit Bronsted và tâm axit Lewis (trên AI” trong mạng cònmột vân đạo trống), đặc biệt là các cation phân cực hoặc tại những proton ở lớp

trung gian thể hiện tính axít Bronsted khá mạnh Chính những tâm này là nơi

xảy ra các phan ứng và cũng là nơi có kha năng hấp phụ các chất phân cực haycác chất hữu cơ

* Môi vài tinh chất khác:

Bentonite là loại đất sét đặc biệt có kha năng tôn tại ở dạng huyền phùtrong | khoảng thời gian dài khi phân tán trong nước Ở trạng thái huyền phù

bentonite còn được gọi là bun khoáng bentonite.

Huyền phù bentonite bao gồm khoáng sét bentonite pha với dung môi lànước mang tính kiểm nhẹ (độ pH từ 7+9) Do đó, đây là thành phần trung tính

với bê tông, không gây bất kỳ ảnh hưởng nào đến tính chất của hỗn hợp bê tôngcũng như với cốt thép

f Ung dung bentonite:

Lam màng chống thấm GCL (Gelsynthetic Clay Liner) được tao thành bởi

một lớp đất sét tổng hợp kẹp giữa hai lớp vải địa kỹ thuật, sử dụng trong các ứng

dụng môi trường có tác dụng chống thấm tương đương với lớp đất sét luyện dày

90cm;

Dung dịch giữ vách hố đào;Dùng làm các tường hào bentonite trong các công trình thủy lợi;

Bentonite được dùng công tác thi công cọc khoan nhồi;

Bentonite được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và cả nông nghiệp.

Lĩnh vực sử dung bentonite nhiều nhất là nghành xây dựng và dầu khí

Me: kim loại kiểm như Na, K (khi đó x = 1), hoặc kim loại kiềm thổ như:

Ca, Mg (khi đó x = 2)

Cấu trúc của zeolite: cả bốn đỉnh [SiO¿[” liên kết với x/(x+y) vi trí SỈ”bị các ion AI” thế chỗ Cứ mỗi AI” thế chỗ dư một liên kết âm và phần điệntích dư này được bù bởi ion kim loại Me” ở vị trí lỗ trống trong mạng lưới cấu

trúc Một phần lỗ trống được lấp đầy bởi các phân tử nước

Nhờ những lỗ trống với kích thước khác nhau trong cấu trúc, zeolite cókhả năng hấp thụ hoặc hấp phụ những phân tử khác Khả năng hấp phụ của

zeolite lớn hơn nhiều những chất hấp phụ thông thường như silicagel, than hoạt

tính.b Phân loại

Theo điều kiện hình thành zeolite: được chia lam 2 loại

Hình 2.8 Cấu trúc của zeolite [6]

e« Zeolite có hàm lượng silic thấp (R<4);

° Zeolite có hàm lượng silic trung bình (4<R<20);° Zeolite có hàm lượng silic cao (20<R<200);

e« Zeolite biến tính

Với R = SiO; / Al:O và R = 2

— Cách phân loại này rất phù hợp với mục đích nghiên cứu

Theo kích thước hình học: được chia lam 3 loai

e Loại mao quản nhỏ 1 — 4nm;e Loại mao quản trung bình 5 —- 8 nm;e _ Loại mao quản lớn > 8 nm.

— Phân loại theo cách này nhằm tiện lợi cho quá trình sử dụng

c Đặc tính ki thuật

° Zeolite được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp là do có cấu trúclông tạo thành các cửa số với đường kính tương đối ổn định (đôi khi có thể bịthay đối chút ít do tác dụng nhiệt, cũng chính vì lý do này ma zeolite có tính bền

nhiệt cao, đặc biệt tỉ số Si/Al cao) nên nó có tính chọn lọc đối với các phân tử cóđường kính khác nhau => khả năng hấp phụ chọn lọc ion Ví dụ: zeolite KA (3

Angstrong) có thé hấp phụ NHa, H›O, H> do đường kính của các phân tử này nhỏ

hơn 3A Do vậy, khi sử dung zeolite ta cần bảng biểu cho biết đường kính cácloại zeolite và các phân tử, ion để dựa vào đó chọn loại vật liệu zeolite để làm

chất hấp phụ cho phù hợp

2.5.2.3 KHOANG FAUJASITE

a Dinh nghia [7]

° Faujasite là một đại diện cho nhóm zeolite tự nhiên, faujasite có cấu

trúc đa diện Trong đó, các phần tử được liên kết với nhau bằng cầu nối oxy

—O-, nguyên tử oxy không nằm ngay trên đường nối mà ở vị trí lân cận Góc liên kếtcủa —O- là khoảng 110° Vị trí giao của các liên kết là ion Si” nằm ở tâm của tứdiện, và đỉnh của tứ diện là các ion Oxy Các ion Sỉ” có thể được thay thế bằngion AI”” Khi đó, tinh thể faujasite mang điện tích âm Vì vậy, faujasite có thểhút các ion dương như H*, Na”, K*, Ca”, Cu” hay Mg” vào các vị tri SI, SH,

SUI, SP, SH” như trong hình

Hình 2.9 Cấu trúc của faujasite — Các tứ diện [SiO4]* liên kết tạo lăng trụ lục

điện [7]

° Các tứ diện [SiO4I“ liên kết với nhau tạo thành lăng trụ với các mặt là

hình lục giác Các lăng trụ này liên kết với nhau bằng cầu nối —O- và phát triểntheo 3 chiều trong không gian tạo thành cấu trúc như hình 4.20 với hệ thống mao

quản là các lỗ rỗng hình thành từ 10 lăng trụ lục diện Các lỗ rỗng này có kíchthước khoảng 12 A.

Hình 2.10 Cấu trúc của faujasite , các lăng trụ lục diện liên kết với nhau tạo hệ

thống mao quản [7]

b Tổng hop Faujasitee Faujasite được tổng hợp giống như các khoáng khác thuộc nhóm zeolite

từ các gốc alumin như sodium aluminate và các gốc silic như sodium silicate

Ngoài ra, các khoáng alumo silicate như kaolinite cũng được sử dụng để tổnghợp faujasite Các cấu tử thành phần hòa tan trong môi trường kiểm như dung

dịch hydroxit natri và tái kết tinh ở nhiệt độ từ 70°C đến 300°C (thường là ở

100°C) Sau khi kết tinh, faujasite ở dạng kiểm Để trở bền vững, faujasite phải

trao đổi ion với amoni NHÍ” Sau đó, ion NH được loại bỏ trong quá trình gia

nhiệt tạo thành zeolite ở dạng axit Tùy vào tỉ lệ Si/AI của cấu trúc tinh thể,faujasite zeolite tổng hợp được chia làm 2 loại là X và Y zeolite Khi tỉ lệ Si/Al

từ 2 đến 3 thì tạo thành X zeolite, còn khi tỉ lệ nầy lớn hơn hoặc bằng 3 thì tạo

thành Y zeolite Điện tích âm của tinh thể được cân bằng nhờ các ion dươngđược hút vào trong cấu trúc Do có các ion trao đổi, zeolite có tính xúc tác vàhấp phụ Độ bền của zeolite tăng lên khi tỉ lệ Si / Al tăng Ngoài ra, độ bén còn

phụ thuộc vào loại và số lượng các ion dương được hút vào trong cấu trúc

SH yO

TETRAHEDRON

Hình 2.11 Quá trình tổng hop Zeolite từ Alumo Silicate [17]

« Bang các phương pháp nhiệt, thủy nhiệt hay các phương pháp hóa học,

các ion alumin có thể được loại bỏ khỏi zeolite loại Y để tạo thành zeolite loại Y

cao silic.