Nghiên cứu đánh giá cường độ chịu nén của đất trộn xi măng và xỉ thép

Bài báo tập trung phân tích sự biến đổi về cường độ chịu nén của đất yếu khi được gia cố bằng xi măng kết hợp với xỉ thép theo các hàm lượng khác nhau của xi măng, xỉ thép bằng các thí nghiệm trong phòng.

TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ XỈ THÉP STUDY ON THE COMPRESSIVE STRENGTH OF SOFT SOIL IMPROVED BY CEMENT AND FURNACE SLAG PGS TS Lê Bá Vinh Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM TÓM TẮT Xử lý đất yếu trụ đất xi măng giải pháp phổ biến, nhằm nâng cao cường độ, giảm biến dạng đất cần xử lý Vì vậy, việc xác định cách hợp lý hàm lượng chất gia cố, biến đổi cường độ chịu nén đất gia cố quan trọng việc thiết kế, tính tốn xử lý đất yếu trụ đất xi măng Bài báo tập trung phân tích biến đổi cường độ chịu nén đất yếu gia cố xi măng kết hợp với xỉ thép theo hàm lượng khác xi măng, xỉ thép thí nghiệm phịng ABSTRACT Soft ground reinforcement by soil - cement columns is a common solution, to increase the strength, and to reduce the deformation of the soil to be treated Therefore, the proper determination of the content of reinforcing substances, the variation of the compressive strength of the reinforced soil are very important in the design and calculation of soft ground reinforcement by soil - cement columns This paper shows the variation in compressive strength of soft soil reinforced by cement and steel slag according to different concentrations of cement and steel slag in laboratory experiments ĐẶT VẤN ĐỀ Trong giải pháp gia cố đất yếu trụ đất - xi măng, việc nâng cao cường độ tính khác trụ đất trộn xi măng cần thiết Về trộn đất với chất kết dính xi măng, ngồi cịn sử dụng thêm chất độn, hóa chất phụ gia [1], [3], [5],… Do vậy, cần thí nghiệm nhằm xác định loại chất độn thích hợp, hóa chất phụ gia thêm vào để vừa làm nâng cao tăng nhanh cường độ hỗn hợp đất trộn xi măng, đồng thời lại tạo khả tiêu thoát nước cho đất yếu để thúc đẩy nhanh trình cố kết cho đất yếu Trong báo tiến hành nghiên cứu thí nghiệm với chất độn phụ gia xỉ thép THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA ĐẤT GIA CỐ BẰNG XI MĂNG, XỈ THÉP 2.1 Các vật liệu sử dụng * Đất thí nghiệm Lấy mẫu đất thí nghiệm khu Đô Thị Mới Thủ Thiêm – Phường An Lợi Đơng, VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 359 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Quận – Thành phố Hồ Chí Minh Mẫu đất thí nghiệm mẫu nguyên trạng lấy từ độ sâu m đến 13 m (tính từ mặt đất tự nhiên) Các tiêu – lý đất trình bày bảng Bảng Các tiêu lý đất thí nghiệm Loại đất W (%) γw(g/cm3) WL (%) Wp ( % ) φ (độ) C (kN/m2) Bùn sét 82,2 1,499 62,6 31,5 4013 11,5 * Xi măng Chất dính kết sử dụng xi măng Portland (xi măng Holcim PCB40) * Xỉ thép Xỉ thép sử dụng thí nghiệm lấy từ công ty TNHH Vật Liệu Xanh, đường số 10, Khu công nghiệp Phú Mỹ 1, Huyện Tân Thành, Tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu với tính chất hóa – lý sau: + Tính chất hóa học xỉ thép Các thành phần hóa học xỉ EAF Ơxít Canxi CaO, Sắt FexOy, Magiê MgO, Mangan MnO2, Silic SiO2 Nhôm Al2O3,… phức bền vững, thành phần CaO, SiO2 FexOy chiếm đến 80% trọng lượng xỉ lị Thành phần khống chất xỉ EAF [4] bao gồm: • W: Wustite (FeO); • CS: Calcium Silicates (2CaO.SiO2, C2S 3CaO.SiO2, C3S); • B: Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF); • M: Mayenite (12CaO.7Al2O3, C12A7); • P: khe rỗng; • Và thép (phần màu trắng) Một thành phần xỉ thép chủ yếu khoáng CS, loại khống chất có thành phần xi măng Portland, hợp chất bao gồm khoáng Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate (C2S), Tricalcium Aluminate (C3Al) Ngoài ra, thành phần xỉ thép cịn có khống Brownmillerite, Mayenite loại khống chất có đá vơi dùng cho ngành cơng nghiệp sản xuất xi măng + Tính chất lý xỉ thép Xỉ lò điện hồ quang có tính chất học tốt cấu trúc tinh thể đặc biệt, so sánh với cấu trúc đá tự nhiên Tính chất vật lý xỉ thép (Nguồn: The Utilisation of Recycled Aggregates Generated From Highway Arisings and Steel Slag Fines – The University Birmingham, May 2004) sau: • 360 Khối lượng riêng: 3,3 - 3,6 tấn/m3; VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 • Khối lượng riêng (rời): 1,482 tấn/m3; • Độ pH: 10 - 11; • Độ xốp: 31 - 45%; • Độ dẫn điện: 3,7 mS/cm Trên sở kết nghiên cứu thực nghiệm, xỉ thép có ưu điểm sau: • Nặng so với hầu hết cốt liệu tự nhiên; • Độ ma sát tốt so với bê tơng asphalt; • Độ bền cao; • Chịu đựng tốt điều kiện thời tiết xấu; • Thành phần chủ yếu khống chất tương tự thành phần xi măng Hình Xỉ thép cân để làm thí nghiệm 2.2 Chuẩn bị mẫu đất trộn xi măng, xỉ thép Mẫu đất trộn với xi măng theo tỷ lệ: 200 kg/m3 đất gia cố, 220 kg/m3 đất gia cố, 240 kg/m3 đất gia cố Hòa xi măng vào nước theo hàm lượng tính tốn trước, tưới dung dịch vào đất Cho hỗn hợp vào máy trộn, trộn vòng phút để xi măng nước phân tán vào đất Mẫu đất dùng để thí nghiệm nén trục nở hơng tự đúc vào ống nhựa PVC đường kính 49mm, chiều cao 98 mm Chia thành lớp vào ống, với lớp dùng que sắt Φ20 đầm chặt Tất mẫu sau đúc xong dán nhãn bảo dưỡng phòng nhiệt độ 200C, độ ẩm 95% ngày đầu, sau mẫu đất cho vào thùng ngập nước bảo dưỡng khoảng thời gian ngày, 14 ngày, 28 ngày mang thí nghiệm VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 361 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Khi thí nghiệm gia cố đất yếu xi măng xỉ thép hàm lượng xi măng sử dụng lấy giá trị tối ưu 220 kg/m3, hàm lượng xỉ thép sử dụng 16%, 18%, 20%, 22%, 24%, hàm lượng chế bị mẫu, tổng cộng có 15 mẫu Hình Các mẫu đất trộn xi măng sau đúc xong Hình Các mẫu đất trộn xi măng xỉ thép 2.3 Thí nghiệm nén trục nở hơng tự Thí nghiệm để xác định sức chịu nén qu – ứng suất nén mẫu bị phá hoại Mẫu đất hình trụ có chiều cao lần đường kính Khi thí nghiệm theo dõi số đọc máy thu nhận vào máy tính đến mẫu bị phá hoại biến dạng đạt đến 15% chiều cao mẫu, lúc đồng hồ đo lực dừng lại giảm dần trị số 362 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Hình Thí nghiệm nén trục nở hơng mẫu đất gia cố CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH [2] 3.1 Đánh giá cường độ mẫu đất trộn xi măng với hàm lượng khác a Mẫu có độ tuổi ngày Bảng Kết thí nghiệm mẫu ngày KL xi măng/m3 đất 200 kg 220 kg 240 kg Tỷ lệ nước/xi măng 0,8 0,8 0,8 qu (kPa) 543 727 1013 E50(kpa) 70.830 78.356 94.234 Hình Biểu đồ thí nghiệm nén trục nở hơng mẫu ngày VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 363 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Từ kết thí nghiệm cho thấy hàm lượng xi măng đất tăng từ 200 kg lên 220 kg cường độ chịu nén qu tăng lên 1,34 lần, mô đun đàn hồi đất tăng lên 1,1 lần Khi hàm lượng xi măng tăng từ 220 kg lên 240 kg cường độ chịu nén qu tăng lên 1,14 lần, mô đun đàn hồi đất gia cố tiếp tục tăng lên 1,2 lần b Mẫu có độ tuổi 14 ngày Bảng Kết thí nghiệm mẫu 14 ngày KL xi măng/m3 đất 200 kg 220 kg 240 kg Tỷ lệ nước/xi măng 0,8 0,8 0,8 qu (kpa) 935 1.251 1.743 Hình Biểu đồ thí nghiệm nén trục nở hông mẫu 14 ngày Từ kết thí nghiệm cho thấy hàm lượng xi măng đất tăng từ 200 kg lên 220 kg cường độ chịu nén qu tăng lên 1,31 lần Khi hàm lượng xi măng tăng từ 220 kg lên 240 kg cường độ chịu nén qu tăng lên 1,4 lần c Mẫu có độ tuổi 28 ngày Bảng Kết thí nghiệm mẫu 28 ngày KL xi măng /m3 đất 200 kg 220 kg 240 kg Tỷ lệ nước / xi măng 0,8 0,8 0,8 qu ( kpa) 1421 1901 2649 Từ kết thí nghiệm cho thấy hàm lượng xi măng đất tăng từ 200 kg lên 220 kg cường độ chịu nén qu tăng lên 1,34 lần Khi hàm lượng xi măng tăng từ 220 kg lên 240 kg cường độ chịu nén qu tăng lên 1,39 lần 364 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Hình Biểu đồ thí nghiệm nén trục nở hông mẫu 28 ngày Nhận xét chung: Khi trộn xi măng vào đất, cường độ chịu nén sức kháng cắt đất tăng lên đáng kể so với đất tự nhiên tăng theo thời gian bảo dưỡng mẫu - Cường độ mẫu đất trộn xi măng tăng chậm thời điểm từ ngày đến 14 ngày, tăng nhanh thời điểm từ 14 ngày đến 28 ngày, cường độ xi măng đất đạt cường độ lớn - Từ kết thí nghiệm phịng ta chọn hàm lượng xi măng hợp lý để gia cố đất yếu khu đô thị Thủ Thiêm quận 220 kg/m3 đất, với cường độ chịu nén đơn đạt 28 ngày 1.901 kPa 3.2 Kết thí nghiệm với mẫu đất trộn xi măng xỉ thép với hàm lượng khác Các kết thí nghiệm nén đơn với hàm lượng xỉ thép khác trình bày bảng Bảng Kết thí nghiệm mẫu đất trộn xi măng xỉ thép Hàm lượng xỉ thép 16% 18% 20% 22% 24% Tỷ lệ nước/XM 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 220 220 220 220 220 qu (kPa) 2811,6 2487,4 2223,4 2023,8 1668,6 E50 (kPa) 175718,8 155462,5 136146,3 KL xi măng/m đất (kG) VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 123392,9 101354,5 365 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Hình Biểu đồ thí nghiệm nén trục nở hơng mẫu có hàm lượng xỉ 16% Hình Biểu đồ thí nghiệm nén trục nở hơng mẫu có hàm lượng xỉ 20% 366 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 Hình 10 Biểu đồ thí nghiệm nén trục nở hơng mẫu có hàm lượng xỉ 24% Hình 11 Biểu đồ thay đổi cường độ mẫu theo hàm lượng xỉ thép - Từ kết thí nghiệm cho thấy hàm lượng xỉ thép đất giảm cường độ chịu nén mẫu đất gia cố xi măng xỉ thép tăng lên, hàm lượng xỉ thép đất giảm từ 24% xuống 16% cường độ chịu nén qu tăng lên 1,69 lần KẾT LUẬN Qua nghiên cứu thí nghiệm nêu cho phép rút kết luận, kiến nghị sau: VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 367 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2017 - 2018 - Khi trộn xi măng kèm phụ gia xỉ thép vào đất, cường độ chịu nén sức kháng cắt đất tăng lên đáng kể so với đất tự nhiên - Từ kết thí nghiệm phòng ta chọn hàm lượng xi măng hợp lý để gia cố đất yếu khu độ thị Thủ Thiêm quận 220 kg/m3, hàm lượng xỉ thép hợp lý 16% khối lượng đất, cường độ chịu nén đơn đạt 2811,6 kPa - Từ kết thí nghiệm cho thấy hiệu việc gia cố đất yếu việc kết hợp chất kết dính xi măng chất độn xỉ thép: gia cố đất yếu xi măng với hàm lượng xi măng 240 kg/m3 mẫu gia cố đạt cường độ qu = 2649,3 kPa, gia cố đất yếu xi măng có kết hợp với xỉ thép với hàm lượng xi măng 220 kg/m3 xỉ thép với hàm lượng 16% ta đạt cường độ qu= 2811,6 kPa Như gia cố đất yếu với việc giảm hàm lượng xi măng đồng thời kết hợp với sử dụng phụ gia, chất độn mang lại hiệu kinh tế cao góp phần bảo vệ mơi trường với việc xử dụng vật liệu xanh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bergado, D T., Anderson, L R., Miura, N and Balasubramaniam, A S (1996), Soft Ground Improvement in Lowland and Other Environments, ASCE press [2] Nguyễn Văn Phúc, Nguyễn Tiến Cường (2015), Phân tích ứng xử cọc xi măng đất gia cố đất yếu đường khu đô thị Thủ Thiêm , quận 2, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học [3] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 9403 : 2012 (2012), Phương pháp gia cố đất yếu trụ đất xi măng [4] S Jaritngam and S Swasdi (2006), Improvement for soft soil by soil-cement mixing in Soft Soil Engineering, Proceedings of the Fourth International Conference on Soft Soil Engineering, Vancouver, Canada, – October 2006, pp 637-640 [5] K.Omine & H.Ochiai (1999), Homogenization method for numerical analysis of improved ground with cement treated soil columns Phản biện: GS TSKH Nguyễn Văn Thơ 368 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM ... đồ thay đổi cường độ mẫu theo hàm lượng xỉ thép - Từ kết thí nghiệm cho thấy hàm lượng xỉ thép đất giảm cường độ chịu nén mẫu đất gia cố xi măng xỉ thép tăng lên, hàm lượng xỉ thép đất giảm từ... dính xi măng chất độn xỉ thép: gia cố đất yếu xi măng với hàm lượng xi măng 240 kg/m3 mẫu gia cố đạt cường độ qu = 2649,3 kPa, gia cố đất yếu xi măng có kết hợp với xỉ thép với hàm lượng xi măng. .. Khi trộn xi măng kèm phụ gia xỉ thép vào đất, cường độ chịu nén sức kháng cắt đất tăng lên đáng kể so với đất tự nhiên - Từ kết thí nghiệm phịng ta chọn hàm lượng xi măng hợp lý để gia cố đất