Xác định hm lợng nhũ tơng, xi măng hợp lý trong công nghệ gia cố tổng hợp cấp phối Laterite bằng nhũ tơng v xi măng pgs. ts Trần tuấn hiệp Đại học Giao thông Vận tải ths. châu thị lê Sở GTVT Bình thuận Tóm tắt: Cấp phối sỏi ong (Laterite) l một loại vật liệu địa phơng có ở hầu khắp các địa phơng trong cả nớc v đợc áp dụng rất phổ biến trong xây dựng đờng ô tô, đặc biệt l mặt đờng nông thôn. Tuy nhiên loại mặt đờng bằng vật liệu ny có nhợc điểm: thờng trơn lầy về mùa ma, bụi nhiều về mùa nắng, lm ảnh hởng lớn đến chất lợng vận tải, môi trờng. Báo cáo ny giới thiệu những kết quả nghiên cứu xác định hm lợng nhũ tơng, xi măng hợp lý trong công nghệ gia cố tổng hợp cấp phối sỏi ong (laterite) bằng nhũ tơng nhựa v xi măng nhằm nâng cao cờng độ, độ ổn định của loại vật liệu quý ny trong xây dựng đờng ô tô. Summary: Laterite aggregate is a local material being and have been popularly using on almost locations in Vietnam for road construction, specially, in rural road pavement building. However, it is limited that: surfaces made of this material may be occured skid, muddy in rainy, dusty in dry season, which considerably influence on traffic quality and environment. This work presents the achievement on researching compound stability of laterite aggregate by emulsion and cement to increase its strength & stability in road construction. 1. Đặt vấn đề Cấp phối sỏi đỏ, cấp phối sỏi ong (laterite) là một loại vật liệu địa phơng có mặt ở hầu khắp các nớc trên thế giới và ở Việt nam, đợc dùng phổ biến để xây dựng nền, móng, mặt đờng. Tuy nhiên qua sử dụng, mặt đờng cấp phối sỏi đỏ cũng biểu lộ một số nhợc điểm: chịu mài mòn kém, ít ổn định với nớc, mùa ma dễ bị trơn lầy, mùa khô rất nhiều bụi. Có những vùng ở miền núi Nghệ An, Thanh Hoá, Hà tĩnh, Ninh Thuận, Bình Thuận, Tây nguyên cây cối vờn tợc, nhà cửa bị phủ đặc màu vàng của bụi đất. Điều đó làm ảnh hởng lớn đến chất lợng phục vụ vận tải, an toàn giao thông và môi trờng. Để khắc phục những nhợc điểm trên, từ rất lâu, ở trong nớc và trên thế giới ngời ta đã dùng nhiều biện pháp từ đơn giản nh tới nớc bảo dỡng về mùa khô, tạo mui luyện thoát nớc tốt mặt đờng về mùa ma, đến những biện pháp kỹ thuật nh gia cố cấp phối sỏi đỏ bằng các chất liên kết vô cơ, hữu cơ nh vôi, xi măng, nhựa đờng, guđrông Gần đây ở nớc ta xuất hiện một số chất phụ gia thơng phẩm có xuất xứ từ Mỹ, Đài Loan, úc nh Connet, Permazyme, Compacto nhng qua thực tế thử nghiệm áp dụng vẫn cha cho đợc kết quả mong muốn. Tựu trung lại vật liệu cấp phối sỏi đỏ có u điểm là phân bố ở hầu khắp các địa phơng có thể sử dụng nh một loại vật liệu tại chỗ rẻ tiền cho xây dựng nền, móng, mặt đờng ô tô có cờng độ khá cao. Tuy nhiên cần có giải pháp làm sao để cấp phối sỏi đỏ ổn định đợc với nớc, chống trơn lầy về mùa ma, chống đợc bụi về mùa nắng. Trên thực tế, khả năng cung ứng vật liệu chất kết dính, đặc biệt sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp xi măng, sự ra đời các nhà máy sản xuất nhũ tơng nhựa ở Việt nam đã là cơ sở cho việc nghiên cứu gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ bằng nhũ tơng nhựa và xi măng nhằm phát huy và phối hợp đợc đặc tính u việt của các loại vật liệu dính kết. Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm trong phòng, thực nghiệm hiện trờng và đã thu đợc kết quả khả quan. Bài báo này giới thiệu kết quả thực nghiệm trong phòng xác định hàm lợng hợp lý của xi măng và nhũ tơng dùng gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ 2. Cơ sở lý luận v thực tiễn của giải pháp gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ bằng xi măng v nhũ tơng nhựa 2.1. Cơ sở lý luận Phơng pháp gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ bằng xi măng và nhũ tơng nhựa có tác dụng làm cho cấp phối gia cố tăng đợc khả năng chống biến dạng, ổn định với nớc và đồng thời chống bụi. Khi gia cố tổng hợp cấp phối bằng xi măng và nhũ tơng, trong đất sẽ xảy ra đồng thời hai quá trình hỗ trợ nhau: một mặt các hạt xi măng lấy phần nớc từ nhũ tơng để hydrat hóa và nhờ điều kiện ẩm đó mà hóa cứng; mặt khác vì nớc trong nhũ tơng đợc lấy đi, nhũ tơng có điều kiện đợc phân tách, tạo thành màng nhựa bao bọc các hạt đất. Các màng nhựa bao bọc các kết thể đất xi măng đợc hydrat hóa càng làm tăng thêm hiệu quả của quá trình gia cố xi măng, làm tăng khả năng ổn định nớc và nhờ màng nhựa mà làm tăng khả năng chống ăn mòn, chống bụi cho mặt đờng trong quá trình khai thác. Đất gia cố riêng bitum lỏng rất dẻo và dễ hóa mềm ở nhiệt độ lớn hơn 40 0 C; do đặc điểm này đất gia cố thuần túy bitum không đợc dùng làm móng trực tiếp dới lớp mặt bê tông nhựa nóng. Đất gia cố xi măng thờng có cờng độ cao nhng rất dễ bị bào mòn, lắm bụi nên không thể trực tiếp dùng làm lớp mặt. Lớp vật liệu cấp phối sỏi đỏ gia cố tổng hợp nhũ tơng nhựa và xi măng đã kết hợp đợc u điểm của từng loại hình gia cố riêng rẽ, khắc phục đợc các nhợc điểm và do vậy có thể dùng làm móng và lớp mặt cho các tuyến đờng nông thôn, tỉnh, huyện có lu lợng xe không lớn. 2.2 Cơ sở thực tiễn - Hiện tại ở Việt Nam, các mỏ vật liệu cấp phối sỏi đỏ phân bố hầu khắp trên 50 tỉnh thành với trữ lợng lớn, chất lợng tốt, giá thành rẻ, thích hợp cho làm nền, móng, mặt đờng ô tô, và thực tế ở Việt Nam có hàng vạn km đờng ô tô có móng mặt đờng bằng cấp phối sỏi đỏ yêu cầu phải đợc xử lý chống lầy về mùa ma, chống bụi về mùa nắng. - Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp xi măng của Việt Nam phát triển rất mạnh mẽ. Các nhà máy xi măng với công suất trên 1, 5 triệu tấn/ năm với công nghệ hiện đại lần lợt đợc lắp đặt và đa vào hoạt động nh Hoàng Thạch, Chinh Phong, Bỉm Sơn, Hoàng Mai, Nghi Sơn, Bút Sơn, Tam Điệp, Hà Tiên, Sao Mai v v Và hàng chục các nhà máy xi măng địa phơng đã đa sản lợng xi măng toàn quốc đạt tới 20 triệu tấn/ năm. Giá xi măng ổn định, khả năng cung ứng lớn, ngành xi măng Việt Nam luôn tạo mọi điều kiện để kích thích tiêu thụ, đặc biệt với khối lợng lớn cho xây dựng hạ tầng giao thông vận tải. - Hiện tại ở cả ba miền Bắc, Trung, Nam đều có các nhà máy sản xuất nhũ tơng nhựa với công nghệ hiện đại nh nhà máy của công ty Tramexco (hợp tác với La Routiere Guyanaise (Pháp) sản lợng 5000T/năm; của công ty Cầu đờng 1 (Đoàn Trần Nghiệp); Nhà máy tại Đà Nẵng sản lợng 1500T/năm. Tại thành phố Hồ Chí Minh: Hãng COLAS; sản lợng 3000T/năm Tại Bà Rịa - Vũng Tàu: Công ty SIME - OSC: sản lợng 5000T/năm Tại Cần Thơ (Tây Ban Nha): sản lợng 2500T/năm Tại thành phố Hồ Chí Minh năm 1996 - 1997, Viện công nghệ Hóa thuộc trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia đã thiết lập cơ sở chế tạo nhũ tơng trong nớc với sản lợng 5000T/năm. Chất lợng nhũ tơng đảm bảo tốt cho xây dựng đờng ô tô. Các nhà sản xuất nhũ tơng cũng rất khuyến khích và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho các nhà tiêu thụ. Hiện nay có nhiều công trình xây dựng đờng ở Việt Nam đã đợc trang bị đầy đủ các thiết bị xe máy thi công tiên tiến cho phép thi công trộn đầm vật liệu với chất lợng cao. Từ những phân tích trên cho thấy Việt Nam hội đủ cơ sở lý luận và thực tiễn để áp dụng có hiệu quả giải pháp gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ bằng xi măng và nhũ tơng nhựa đờng. 3. Thực nghiệm trong phòng xác định hm lợng hợp lý của xi măng v nhũ tơng nhựa để gia cố cấp phối sỏi đỏ. 3.1. Gia cố cấp phối sỏi đỏ lấy ở mỏ km19 - Hàm thuận nam, tỉnh Bình Thuận Bình Thuận là một trong những tỉnh đặc biệt có nhiều mỏ cấp phối sỏi đỏ với trữ lợng lớn, chất lợng khá tốt; nhu cầu xây dựng móng mặt đờng bằng cấp phối sỏi đỏ rất cao. Công tác thí nghiệm gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ ở Bình Thuận bằng xi măng và nhũ tơng nhựa trong phòng thí nghiệm và hiện trờng đợc chủ trì bởi ThS. Châu Thị Lê giám đốc sở cùng các cán bộ kỹ thuật Sở giao thông Bình Thuận dới sự chỉ đạo của PGS.TS. Trần Tuấn Hiệp và sự phối hợp của ThS. Lê Văn Bách giảng viên trờng đại học Giao Thông, có sự hợp tác với phân viện khoa học giao thông phía nam và phòng thí nghiệm cơ sở 2, Đại học Giao Thông Vận Tải. 3.1.1. Mục tiêu thí nghiệm Đúc mẫu thí nghiệm trong phòng với nhiều tổ hợp mẫu khác nhau khi cho hàm lợng nhũ tơng nhựa và xi măng thay đổi, xác định chỉ tiêu cờng độ của đất gia cố từ đó xác định tỉ lệ xi măng và nhũ tơng nhựa hợp lý cho công nghệ gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ. Hàm lợng xi măng biến đổi từ 0%, 1%, 2%, , đến 6%; ứng với từng tỷ lệ xi măng, hàm lợng nhũ tơng nhựa biến đổi từ 0%, 1%, 2%, , đến 8%. 3.1.2. Vật liệu thí nghiệm + Cấp phối sỏi đỏ đợc lấy ở mỏ km19 - Hàm Thuận Nam, có thành phần cấp phối: Hàm lợng (%) của các cỡ hạt có đờng kính D (mm) D (mm) 50 50 - 25 25 - 10 10 - 5 5 - 2 2 - 0,5 0,5 - 0,074 < 0,074 Tỷ lệ % 0 8,06 16,87 28,54 19,24 11,19 15,63 0,48 Giới hạn chảy: 26, 7% Giới hạn dẻo: 16, 68% Chỉ số dẻo: 10, 02% Dung trọng khô lớn nhất: 2, 18g/cm 3 Độ ẩm tốt nhất: W opt = 9, 71% + Xi măng: Dùng xi măng Hà Tiên PC40 + Nhũ tơng nhựa: Dùng nhũ tơng nhựa phân tích vừa gốc axit CSS - 1 mua từ công ty TNHH SIME - OSC có các chỉ tiêu: Màu nâu sẫm đồng đều Hàm lợng bitum: 57,8%. Độ nhớt ở 20 o C: 14,2. Độ lắng: 3,92% Thời gian tồn trữ cho phép > 90 ngày. Cự ly vận chuyển 180 km. 3.1.3. Chế bị v nén mẫu trong phòng thí nghiệm Các tổ mẫu đợc chế bị theo tổ hợp biến đổi hàm lợng xi măng và nhũ tơng gia cố ứng với tỷ lệ xi măng gia cố là: 0% (không gia cố xi măng), 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%; mẫu đợc tổ hợp với hàm lợng nhũ tơng nhựa lần lợt thay đổi từ 0% (không gia cố nhũ tơng), 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7% và 8%. Mẫu có kích thớc 7,07x7, 07x7,07 cm. Mỗi loại đợc chế bị 12 mẫu theo phơng pháp khống chế thể tích. Bảo dỡng mẫu ở chế độ bão hòa hơi nớc trong thời gian 1 ngày tuổi, 7 ngày tuổi và 21 ngày tuổi. Riêng loại 7 ngày tuổi đợc chế bị 2 tổ mẫu để xác định cờng độ của mẫu bão hòa nớc và mẫu khô. + Tính toán hm lợng vật liệu để chế bị mẫu Khối lợng cấp phối khô cho một nhóm 12 mẫu: 353,39 cm 3 x12x2,182 g/cm 3 = 9,25 KG Khối lợng xi măng X theo tỷ lệ X%: X = 9, 25 x X% Lợng nhũ tơng NT thêm vào bằng lợng nớc tính toán theo độ ẩm tốt nhất cộng lợng nớc cần thiết để xi măng thủy hóa trừ lợng nớc sẵn có trong đất và lợng nớc có trong nhũ tơng. + Chế bị mẫu Căn cứ số liệu tính toán, cân lợng đất cần thiết (chú ý khối lợng tăng thêm do lợng hàm ẩm sẵn có trong đất). Trộn đều đất với xi măng, sau đó cho nhũ tơng và nớc vào hỗn hợp và trộn đều. Mẫu đợc chế bị bằng cách phân phối đều hết khối lợng đất đã chuẩn bị, mỗi mẫu đầm làm hai đợt, mỗi đợt có số lần đầm rơi: 10 lần. Khi số đất chuẩn bị vừa khớp với khuôn mẫu, đạt đợc hệ số đầm nén bằng 1. + Nén mẫu Mẫu đúc xong, đợc dỡng hộ trong môi trờng ẩm trong thời gian quy định: 1 ngày, 7 ngày, 21 ngày, sau đó đợc nén trên máy nén một trục nở hông tự do. Kết quả thí nghiệm đợc giới thiệu ở bảng 1, 2 và 3. Trong bảng hàm lợng xi măng, nhũ tơng đợc tính theo tỉ lệ % trên trọng lợng đất khô, cờng độ kháng nén: (KG/cm 2 ) Bảng 1 Cờng độ kháng nén (KG/cm 2 ) của mẫu 7 ngy tuổi ứng với hm lợng nhũ tơng v xi măng khác nhau X.mg(%) N.tg (%) 0 3 4 5 6 0 2,32 3,22 5,61 6,44 7,48 1 2,38 3,61 5,80 6,78 7,90 2 2,47 4,60 5,89 7,27 8,67 3 2,54 5,65 7,20 8,30 9,75 4 2,74 5,70 7,58 8,62 10,47 5 2,53 6,30 7,87 9,14 11,09 6 2,52 6,06 8,21 9,36 11,37 7 2,43 6,02 7,79 9,15 11,23 8 2,33 5,70 7,72 8,30 10,92 Bảng 2 Cờng độ kháng nén (KG/cm 2 ) của mẫu 21 ngy tuổi ứng với hm lợng nhũ tơng v xi măng khác nhau X.mg (%) N.tg (%) 0 3 4 5 6 0 2, 40 3, 52 5, 76 7, 07 8, 17 1 2, 57 3, 86 6, 35 7, 38 8, 42 2 2, 60 5, 15 6, 62 7, 66 9, 45 3 2, 64 5, 91 7, 58 8, 76 10, 53 4 2, 71 5, 95 8, 46 9, 01 11, 63 5 2, 72 6, 40 8, 61 10, 03 12, 12 6 2, 81 6, 55 8, 65 10, 11 12, 14 7 2, 96 6, 72 8, 90 10, 13 11, 78 8 2, 94 6, 06 8, 16 8, 95 10, 24 Bảng 3 Cờng độ kháng nén (KG/cm 2 ) của mẫu 7 ngy tuổi bão ho nớc ứng với hm lợng nhũ tơng v xi măng khác nhau X.mg (%) N.tg (%) 0 3 4 5 6 0 0,00 0,78 1,20 2,10 2,50 1 0,00 0,88 1,23 2,20 2,70 2 0,00 0,98 1,36 2,36 2,92 3 0,00 1,16 1,59 2,78 3,57 4 0,78 1,35 2,10 3,15 4,07 5 1,50 1,96 1,62 4,17 5,40 6 1,96 3,22 4,20 4,78 6,02 7 2,70 6,14 7,50 8,91 9,90 3.2. Thí nghiệm trong phòng về gia cố cấp phối sỏi đỏ ở mỏ Thạch Hoà, Thạch Thất, Sơn Tây Cuối năm 2001 nhóm thực hiện bao gồm các giáo viên của bộ môn Đờng Bộ, trờng Đại học Giao Thông Vận Tải: Nguyễn Đình Thạo, Nguyễn Minh Nhật và các sinh viên NCKH dới sự chỉ đạo của PGS.TS. Trần Tuấn Hiệp đã tiếp tục thí nghiệm trong phòng với cấp phối sỏi đỏ lấy ở mỏ Thạch Hoà, Cần Kiệm, Thạch Thất, Hà Tây. Nhũ tơng nhựa do nhà máy của công ty Tramexco hợp tác với hãng La Routiere Guyanaise (Pháp) cung cấp, là nhũ tơng nhựa gốc a xít có tốc độ phân tích vừa; xi măng là xi măng Hoàng Thạch PC40. Kết quả nén mẫu 21 ngày tuổi cho thấy hàm lợng xi măng gia cố thích hợp là 5% - 6% và hàm lợng nhũ tơng tơng ứng là 3% - 4%. 4. Kết luận Qua thực nghiệm trong phòng bớc đầu có thể rút ra một số nhận xét sau: - Với cùng một lợng nhũ tơng, nói chung quan hệ giữa cờng độ mẫu gia cố và hàm lợng xi măng là quan hệ hàm bậc hai, lợng xi măng trong hỗn hợp tăng thì cờng độ tăng. Trong thí nghiệm chỉ khống chế hàm lợng xi măng tối đa tới 6% là căn cứ trên cơ sở thực tiễn (về kinh tế - kỹ thuật). - Khác với hiệu quả của hàm lợng xi măng gia cố, hàm lợng nhũ tơng trong hỗn hợp gia cố không cho thấy hiệu quả khi vợt quá 5%. - Khi hàm lợng nhũ tơng tăng trên 7% thì cờng độ kháng nén của đất gia cố không những không tăng mà lại có xu hớng giảm đi. - Hàm lợng nhũ tơng và xi măng cho cờng độ cao nhất là: Nhũ tơng từ 4 - 5% và xi măng: 6%. Tuy nhiên vì hiện nay giá nhũ tơng nhựa khá cao và cờng độ các mẫu gia cố nhũ tơng 3% so với loại gia cố 5% chỉ thấp hơn khoảng 1 Kg/cm 2 : Từ đó xét cả về yếu tố kinh tế và kỹ thuật cho thấy hàm lợng gia cố hợp lý là: Nhũ tơng từ 3 - 4 % và xi măng 6%. Không nên dùng hàm lợng nhũ tơng vợt quá 5%. - Cờng độ mẫu gia cố tăng trởng khá nhanh trong 7 ngày đầu, sau đó sự tăng trởng gần nh không đáng kể. Sau 1 ngày mẫu gia cố đã đạt tăng cờng độ đến gần 180% so với mẫu không gia cố, điều đó cho thấy hiệu quả và khả năng làm việc tốt của vật liệu gia cố khi đa vào khai thác. - Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy khả năng ổn định nớc khá cao của mẫu gia cố. Mẫu không đợc gia cố dễ dàng bị tan rã trong khi ngâm nớc. Mẫu có gia cố với hàm lợng nhũ tơng trên 4% và hàm lợng xi măng trên 5% trong điều kiện bão hòa nớc có thể đạt cờng độ trên 4 Kg/cm 2 . Khi hàm lợng bitum tăng lên đến 7% thì cờng độ của mẫu gia cố 10 Kg/cm 2 . Điều đó cho thấy tác dụng hóa cứng của hạt đất đợc hydrat hóa và tác dụng bao bọc bề mặt và lấp kín lỗ rỗng của các màng nhựa nhằm không cho nớc xâm nhập phá hoại cấu trúc của đất gia cố. Các kết quả thực nghiệm hiện trờng cũng nh kết quả xác định mô đun đàn hồi và hiệu quả chống bụi của mặt đờng gia cố chúng tôi xin phép đợc giới thiệu ở bài báo sau. Tài liệu tham khảo [1] V. M. Benzruk, A. X. Elenovits. áo đờng bằng đất gia cố - Bản dịch của Đỗ Bá Chơng, Dơng Học Hải, Đặng Hữu, Trần Luân Ngô, Nguyễn Xuân Vinh - Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 1981. [2] Hãng SIME-OSC - Tài liệu giới thiệu nhũ tơng - Vũng Tàu, 1994. [3] Châu Thị Lê - Nghiên cứu thử nghiệm gia cố đất sỏi đồi bằng xi măng và nhũ tơng để làm đờng ở Bình thuận - Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật, Đại học GTVT, Hà nội, 2001. [4] Paul Becher - Emulsions. Theory and Pratice - Reinhold Publishing, Newyork, 1965. [5] Trần Tuấn Hiệp, Châu Thị Lê v các tác giả - Báo cáo khoa học đề tài B2001-35-17: Nghiên cứu giải pháp công nghệ gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ bằng nhũ tơng nhựa và xi măng làm móng mặt đờng ô tô - HàNội, 2002Ă . dùng gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ 2. Cơ sở lý luận v thực tiễn của giải pháp gia cố tổng hợp cấp phối sỏi đỏ bằng xi măng v nhũ tơng nhựa 2.1. Cơ sở lý luận Phơng pháp gia cố tổng hợp cấp. hm lợng nhũ tơng, xi măng hợp lý trong công nghệ gia cố tổng hợp cấp phối sỏi ong (laterite) bằng nhũ tơng nhựa v xi măng nhằm nâng cao cờng độ, độ ổn định của loại vật liệu quý ny trong xây. Xác định hm lợng nhũ tơng, xi măng hợp lý trong công nghệ gia cố tổng hợp cấp phối Laterite bằng nhũ tơng v xi măng pgs. ts Trần tuấn hiệp Đại học Giao thông Vận tải ths.