Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng xi măng trong phương pháp cải tạo đất loess bằng phương pháp trộn xi măng và đầm chặt ở Calarasi, Romania

Loess và các loại đất dạng loess (gọi chung là đất loess) có nguồn gốc trầm tích do gió - đất phong thành, là loại đất có tính lún ướt, lún sập nên cần phải được xử lý, cải tạo để phục vụ mục đích xây dựng công trình nói chung. Bài viết này trình bày các kết quả thực nghiệm thu được dựa trên nghiên cứu xử lý nền đất loess từ một dự án xây dựng nhà máy ở hạt Calarasi, Romania.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG XI MĂNG TRONG PHƯƠNG PHÁP CẢI TẠO ĐẤT LOESS BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRỘN XI MĂNG VÀ ĐẦM CHẶT Ở CALARASI, ROMANIA NGUYỄN CÔNG ĐỊNH* Study effect of cement content in cement treatment to improve the loess soil from Calarasi county, Romania Abstract: This study presents experimental results on the effect of cement content to improve loess soil by mix with cement and compacted Same type of loess is mixed with different cement content (at 0-2-4-6 %) Then the samples are test to determined physical and mechanical characteristics Results are analysis and compare to assess the effect of cement content on loess soil Key words: cement content, loess soil, soil improvement GIỚI THIỆU * Loess loại đất dạng loess (gọi chung đất loess) có nguồn gốc trầm tích gió - đất phong thành, loại đất có tính lún ướt, lún sập nên cần phải xử lý, cải tạo để phục vụ mục đích xây dựng cơng trình nói chung [4] Đã có nhiều phương pháp cải tạo, xử lý đất loess nghiên cứu ứng dụng, có phương pháp trộn xi măng đầm chặt Bằng cách thêm vài phần trăm xi măng theo khối lượng trộn với đất loess chỗ cho thấy hiệu rõ rệt đầm chặt, tiết kiệm chi phí đáng kể so với phương án bóc bỏ thay đất số dự án [7] Đã có số nghiên cứu giới phương pháp cải tạo đất loess cách trộn với xi măng, tính chất đất địa phương thường khác nên dự án cần có nghiên cứu riêng [1] Bài viết trình bày kết thực nghiệm thu dựa nghiên cứu xử lý đất loess từ dự án xây dựng nhà máy hạt Calarasi, Romania Các nghiên cứu thực nghiệm * Trường đại học Giao thông Vận tải Email: ncdinh@utc.edu.com ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 thực gồm thành phần hạt đất, giới hạn Atterberg, tính chất đầm chặt, tính chất nén lún sức chống cắt mẫu đất loess khơng có xi măng trộn xi măng với hàm lượng khác 2%, 4% 6% ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU * Đất loess Tất thí nghiệm phân tích kết thí nghiệm phịng thực với đất loess đồng nhất, thu thập trình khảo sát dự án xây dựng nhà máy cơng nghiệp hạt Calarasi, Romania Tồn khối lượng khoảng 200 kg vật liệu đất loess đồng hóa cách phơi khơ, tán nhỏ trộn * Xi măng Xi măng sử dụng nghiên cứu loại portland CEM I 42.5 N – SR 5, phân loại theo tiêu chuẩn SR EN 197-1 [13] Theo phân loại trên, xi măng loại có hàm lượng linker > 95%, cường độ tiêu chuẩn từ 42,5 MPa đến 62,5 MPa, ninh kết thường, chống ăn mòn sun-fat * Nước 61 Nước đạt tiêu chuẩn uống được sử dụng nghiên cứu này, phù hợp để trộn bê tông trộn hỗn hợp đất-xi măng theo tiêu chuẩn SR EN 1008:2003 [11] * Quy trình chuẩn bị mẫu Đất loess tự nhiên: Mẫu đất nguyên trạng lấy từ trường bảo quản theo quy chuẩn [9,10] Mẫu đất đầm chặt: đất loess lấy từ trường, chứa bao tải mang phịng thí nghiệm sau tán nhỏ chày bọc cao su, hong khô không khí (khơ gió, đạt độ ẩm khoảng 3-4 %), sau trộn liên tục đạt mức độ đồng cần thiết Đất loess đồng khơ gió lấy phần - phần theo hàm lượng xi măng, tương ứng với mức hàm lượng xi măng trộn % (khơng có xi măng), %, 4% 6% trọng lượng đất khô Mỗi phần theo hàm lượng xi măng tiếp tục chia thành mẫu ứng với mức độ ẩm khác để làm thí nghiệm đầm chặt dụng cụ Proctor tiêu chuẩn Mỗi phần hàm lượng tiến hành thí nghiệm đầm chặt xác định dung trọng khô lớn độ ẩm tối ưu tương ứng Từng mẫu trụ chế bị từ thí nghiệm đầm chặt lấy mẫu thí nghiệm xác định độ ẩm, sau mẫu bảo quản cách ly 28 ngày [12] trước tiến hành thí nghiệm tính chất gồm giới hạn Atterberg, tính chất nén lún tính sức chất chống cắt * Thiết bị quy trình thí nghiệm Để tập trung nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng xi măng, yếu tố khác kiểm soát nhằm đảm bảo đồng điều kiện thí nghiệm Các thí nghiệm thực theo tiêu chuẩn xây dựng Romania, đồng với tiêu chuẩn Châu Âu EUROCODE [10,12,14,15, 16,17,18,19], thí nghiệm đầm chặt với dụng cụ Proctor tiêu chuẩn có thiết bị hỗ trợ đầm tự động lập trình sẵn đảm bảo cơng đầm khơng đổi Những ý quy trình thí nghiệm phương pháp nghiên cứu cụ thể trình bày chi tiết xem xét tính chất cụ thể phần 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Thành phần hạt Mẫu đất loess tự nhiên mẫu chế bị trộn loess với tỷ lệ xi măng khác (2%, 4%, 6%), thí nghiệm để xác định thành phần hạt phương pháp tỉ trọng kế Các mẫu đất trộn xi măng thí nghiệm sau 28 ngày chờ ninh kết hình thành liên kết xi măng gắn kết [12] Biểu đồ thành phần hạt mẫu tương ứng thể bảng hình Bảng 1: Bảng tổng hợp thông số thành phần hạt mẫu thử Thành phần hạt Mẫu Đất loess tự nhiên Loess + 2% xi măng Loess + 4% xi măng Sét % 26 16,5 10,5 Bụi % 70 78 54,5 Cát % 4,5 34,42 Sạn % 0 0,58 Hệ số đồng Cu 23,8 21 28,7 Loess + 6% xi măng 30,5 48,18 15,32 120 Các kết thí nghiệm trước sau trộn xi măng rõ ảnh hưởng hàm lượng xi măng thành phần hạt mẫu thử, với 62 Hệ số Gọi tên đường đất theo cong thành phần Cc hạt 0,38 Bụi pha sét 1,71 Bụi 2,23 Bụi pha cát Cát pha bụi 0,34 lẫn sạn hàm lượng xi măng tăng (2-4-6%) hàm lượng hạt thơ mẫu tăng lên rõ rệt (hình 1) Theo tăng hàm lượng xi măng, tên đất ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 thay đổi từ bụi pha sét (đất loess tự nhiên) thành đất bụi, đất bụi pha cát đất cát pha bụi lẫn sạn – tương ứng với hàm lượng xi măng 2%, 4% 6% Với mẫu đất loess trộn 2% xi măng, hàm lượng ít, xi măng thêm vào gắn kết hạt sét thành bụi, làm giảm hạt sét (9,5%) tăng lượng hạt bụi (8%) lượng hạt thô tăng không đáng kể (khoảng 0,5 %), khiến cho đất trở nên đồng (hệ số đồng giảm) Với mẫu loess trộn 4% xi măng, hệ số đồng hàm lượng hạt thơ có gia tăng đáng kể chưa có đột biến Với mẫu đất loess trộn 6% xi măng, lượng xi măng thêm vào đủ nhiều để gắn kết tạo hạt thơ nhiều hơn, chí lượng hạt sạn tăng lên đáng kể (15,32%), dẫn đến số đồng tăng rõ rệt (đất cấp phối tốt hơn) Hình 1: Thành phần hạt đất loess tự nhiên mẫu đất loess trộn xi măng Mặt khác, mẫu đất loess trộn với % xi măng, bắt đầu có tượng vón cục, tạo thành cấp phối gián đoạn có hai nhóm hạt chênh lệch kích thước rõ rệt Kết phù hợp với nhận định Balasingam Muhunthan Farid Sariosseiri (2008) [3] lưu ý không dùng nhiều xi măng (>10 %) để cải tạo đất loess vật liệu sau xử lý có tính giịn 3.2 Giới hạn Atterberg Mẫu đất loess tự nhiên mẫu sau xử lý trộn xi măng với hàm lượng khác thí nghiệm xác định độ ẩm giới hạn chảy ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 độ ẩm giới hạn dẻo (các giới hạn Atterberg) Kết thí nghiệm trình bày tổng hợp bảng hình Bảng 2: Kết xác định giới hạn Atterberg mẫu thử Mẫu thử Đất loess tự nhiên Loess + 2% xi măng Loess + 4% xi măng Loess + 6% xi măng Giới hạn Atterberg WP WL IP % % % 19,48 39,37 19,89 27,2 45,92 18,72 31,88 41,23 9,35 32,3 40,88 8,58 Hình 2: Giới hạn Atterberg đất loess tự nhiên đất loess trộn xi măng tỷ lệ khác Kết cho thấy độ ẩm giới hạn chảy tăng lên thêm 2% xi măng vào đất loess, nhiên có xu hướng giảm dần hàm lượng xi măng tăng lên Trong độ ẩm giới hạn dẻo tăng với gia tăng hàm lượng xi măng Kết số dẻo với đất loess trộn 2% xi măng thay đổi không đáng kể so với mẫu đất loess tự nhiên (1,17%), nhiên hàm lượng xi măng tăng lên số dẻo giảm rõ rệt, cụ thể 10,54% 11,31% ứng với hàm lượng xi măng 4% 6% Kết phù hợp với phân tích thành phần hạt nêu trên, trộn nhiều xi măng hàm lượng hạt thơ mẫu tăng lên, đất giảm tính dẻo Khả 63 làm việc vật liệu chứng minh tăng lên số dẻo giảm [2,8] Do đó, trộn đất loess với hàm lượng xi măng nhiều giúp đất làm việc tốt Cần lưu ý thêm rằng, q trình chuẩn bị mẫu thí nghiệm loại bỏ hạt thô trước xác định giới hạn Atterberg nên giá trị khơng phản ánh đầy đủ tính tính chất đất, nhiên có giá trị so sánh tương quan mẫu để thấy ảnh hưởng hàm lượng xi măng đến tính dẻo đất 3.3 Tính chất đầm chặt Nền cơng trình thường đầm chặt để giảm thiểu độ lún (cũng cải thiện tính chất xây dựng khác) Phương pháp không áp dụng cho cơng trình đắp đất mà cịn biện pháp xử lý gặp số loại đất bất lợi, loess, cách bóc lớp đất loess tự nhiên thay đất loess đầm chặt kết hợp với trộn vật liệu xử lý (chất kết dính) trước đầm chặt Trong nghiên cứu này, việc trộn đầm chặt đất mơ phịng thí nghiệm dụng cụ Proctor tiêu chuẩn để chế bị mẫu xác định thông số đầm chặt Đất loess chia thành mẫu với độ ẩm khác nhau, bảo quản kín ngày để phân bố độ ẩm, sau trộn với xi măng tiến hành đầm chặt sau trộn (thí nghiệm hồn thành khoảng nửa tính từ trộn) Với trường hợp đất loess đầm chặt bỏ qua bước trộn xi măng Bảng 3: Khối lượng thể tích khơ lớn độ ẩm tối ưu từ thí nghiệm đầm chặt mẫu thử Mẫu thử Đất loess (0% xi măng) Loess + 2% xi măng 64 Thí nghiệm đầm chặt rd max Wopt g/cm % 1,733 16,7 1,75 17,7 Mẫu thử Loess + 4% xi măng Loess + 6% xi măng Thí nghiệm đầm chặt rd max Wopt g/cm % 1,744 17,9 1,77 17,1 Ảnh hưởng hàm lượng xi măng đến độ ẩm tối ưu trọng lượng thể tích khô lớn đầm chặt thể hình bảng Hình 3: Ảnh hưởng hàm lượng xi măng tới khả đầm chặt mẫu thử Kết thực nghiệm cho thấy độ ẩm tối ưu khối lượng thể tích khơ lớn đầm chặt thay đổi khơng đáng kể trộn hàm lượng xi măng khác Kết luận giải dựa quan hệ thành phần hạt đất loess xi măng hạt mịn (từ sét đến bụi) nên việc kết hợp hai loại hạt mịn không cải thiện cấp phối đất Cùng với trình tự thí nghiệm việc đầm chặt thực sau trộn vật liệu, xi măng chưa kịp gắn kết để tạo hạt lớn Trong trình đầm chặt, phần xi măng thêm vào đóng vai trị vật lý hạt nhỏ mà chưa có thời gian để thể vai trị gắn kết hóa học, q trình gắn kết phản ứng hóa học thể sau đầm chặt đồng thời có đủ thời gian điều kiện thích hợp (bảo quản độ ẩm) Sự ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 thay đổi nhỏ xu hướng cụ thể sai số trình thực nghiệm Kết thực nghiệm tính chất đầm chặt đất loess trộn xi măng nghiên cứu tương đồng phù hợp với nghiên cứu Doncho Karastanev & nnk (2016) [5], hai nghiên cứu cho thấy thay đổi tính chất đầm chặt theo hàm lượng xi măng có biên độ nhỏ Kết cho thấy tính khác biệt đặc thù đất loess trộn xi măng, khác với loại đất khác, ví dụ nghiên cứu cải tạo than bùn phương pháp trộn xi măng S Boobathiraja & nnk [21] Cần lưu ý thêm rằng, nhận định nêu ảnh hưởng hàm lượng xi măng hiệu đầm chặt khơng mâu thuẫn với phân tích thay đổi thành phần hạt trộn xi măng với hàm lượng khác nêu phần 3.1, thí nghiệm đầm chặt tiến hành sau trộn hỗn hợp, xi măng nước chưa kịp phản ứng tạo liên kết đáng kể - kết phân tích thành phần hạt thực mẫu trộn trải qua thời gian ninh kết 28 ngày 3.4 Tính chất nén lún Tính chất nén lún đất tính chất quan trọng u cầu phục vụ cơng tác tính tốn, thiết kế (dự tính độ lún đất) Đất loess có độ rỗng lớn đặc trưng nhạy cảm với độ ẩm thể qua tính chất lún sập bão hịa nước thể hình (tính lún sập xác định áp lực 300 kPa theo tiêu chuẩn xây dựng đất có tính chất lún ướt, lún sập [9]) Tính lún sập vấn đề cần phải xử lý đất loess Để xem xét ảnh hưởng hàm lượng xi măng đến tính chất nén lún đất, mẫu với hàm lượng xi măng khác từ thí nghiệm đầm nén nêu thí nghiệm nén trục không nở hông thiết bị Oedometre Modul biến dạng ứng với cấp tải trọng 200-300 kPa chọn để so sánh Kết thí nghiệm tổng hợp trình bày bảng hình 4, ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Bảng 4: Modul biến dạng (M) hệ số nén lún (a) mẫu thử Mẫu Đất loess bão hòa Đất loess tự nhiên Đất loess đầm chặt Loess + 2% xi măng Loess + 4% xi măng Loess + 6% xi măng Tính nén lún M200-300 a200-300 MPa MPa-1 3,08 0,3246 7,55 0,1324 18,40 0,0543 37,00 0,0270 63,20 0,0158 71,00 0,0141 Hình 4: Tính chất nén lún đất loess chưa xử lý Hình 5: Modul biến dạng mẫu đất thử Đồ thị hình cho thấy mẫu đất trộn xi măng cải thiện rõ rệt đặc tính nén lún so với đất 65 loess tự nhiên Riêng việc đầm chặt giúp làm giảm độ rỗng, hạn chế tính lún sập nên đóng vai trị cải tạo đất, nhiên modul biến dạng (M200-300) mẫu đầm chặt không trộn xi măng tăng lên 2,4 lần so với đất loess tự nhiên Việc trộn xi măng khơng loại bỏ hồn tồn tính lún sập mà làm modul biến dạng gia tăng gấp nhiều lần Khi thêm xi măng, làm tăng modul biến dạng từ khoảng đến lần so với mẫu đầm chặt không trộn xi măng, tương ứng với hàm lượng xi măng từ 2% đến 6% Modul biến dạng tăng đồng nghĩa với độ lún giảm Như vậy, xét tính chất nén lún, biện pháp cải tạo trộn loess với xi măng đầm chặt thể hiệu rõ rệt, theo tỉ lệ thuận nhiều xi măng modul biến dạng lớn Quy luật hoàn toàn thống với nghiên cứu Doncho Karastanev & nnk (2016) [5] đất loess Bulgaria Giá trị định lượng hai nghiên cứu có khác biệt đáng kể, điều phản ánh khác đất loess Bulgaria Romania 3.5 Sức chống cắt đất Trong nghiên cứu này, với mẫu chế bị trộn xi măng đầm chặt, tính chất vật liệu tốt, khơng cịn đất yếu nên sức chống cắt nghiên cứu thơng qua thí nghiệm cắt trực tiếp (cắt phẳng) thơng thường Mỗi loại đất chuẩn bị thành mẫu, tiến hành thí nghiệm với cấp áp lực tăng dần 100 kPa, 200 kPa, 400 kPa Thí nghiệm thu đại lượng đặc trưng sức chống cắt góc ma sát (j) cường độ lực dính kết đơn vị (c) Kết thực nghiệm xác định j c tổng hợp trình bày bảng hình Bảng 5: Thông số sức chống cắt mẫu thử Mẫu Đất loess đầm chặt Loess + 2% xi măng 66 Thông số sức chống cắt c j kPa Độ 17,2 27,3 58 34,6 Mẫu Loess + 4% xi măng Loess + 6% xi măng Thông số sức chống cắt c j kPa Độ 117 45 190 62 Hình 6: Thơng số sức chống cắt mẫu đất nghiên cứu Về sức chống cắt đất, kết thực nghiệm thể rõ ràng tăng hàm lượng xi măng cải thiện đáng kể sức chống cắt đất Cả hai tham số góc ma sát cường độ lực dính kết đơn vị tăng cách rõ rệt tăng hàm lượng xi măng mẫu xử lý So với mẫu đất loess đầm chặt xi măng, mẫu trộn 2%, 4% 6% xi măng cho giá trị góc ma sát tăng tương ứng khoảng 1,3, 1,6 2,3 lần, cường độ lực dính kết đơn vị có tốc độ tăng nhanh tương ứng 3,4, 6,8 11 lần Kết chi tiết hóa củng cố nhận định StefanSilvian Ciobanu [20] nghiên cứu đặc tính địa kỹ thuật đất loess phương pháp cải tạo đất loess Romania Mặt khác, kết nghiên cứu cho thấy khác biệt rõ rệt cải tạo phương pháp trộn xi măng, đất loess Romania (cả hai thông số sức chống cắt tăng) so với đất loess Trung Quốc theo nghiên cứu Zhang & nnk [22] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 cường độ lực dính kết đơn vị có tính nhạy cảm chịu trách nhiệm cho thay đổi cường độ sức chống cắt KẾT LUẬN Ảnh hưởng việc trộn xi măng portland để cải tạo đất loess Calarasi, Romania đề cập nghiên cứu này, sâu vào phân tích ảnh hưởng hàm lượng xi măng khác đến hiệu cải tạo đất Các tính chất vật lý tính chất học đất loess tự nhiên đất loess qua xử lý nghiên cứu, bao gồm phân tích thành phần hạt, giới hạn Atterberg, tính chất đầm chặt, tính chất nén lún sức chống cắt đất Từ kết phân tích, nghiên cứu rút kết luận sau: - Việc trộn loess với xi măng giúp thay đổi thành phần hạt hỗn hợp đất, theo chiều hướng làm tăng hàm lượng hạt thô mức độ tăng tỉ lệ thuận với hàm lượng xi măng trộn Theo tăng hàm lượng xi măng, tên đất thay đổi từ bụi pha sét (đất loess tự nhiên) thành đất bụi, đất bụi pha cát đất cát pha bụi lẫn sạn – tương ứng với hàm lượng xi măng 2%, 4% 6%; - Khi hàm lượng xi măng (