Khả năng sử dụng bùn cát biển làm vật liệu đắp nền đường

Hiện nay, việc nạo vét bùn để đảm bảo luồng hải hải ngày càng trở nên quan trọng. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp việc nhấn chìm bùn nạo vét ngoài biển có thể nảy sinh vấn đề ảnh hưởng đến môi trường biển. Bài viết này trình bày kết quả thí nghiệm bƣớc đầu về cải thiện vật liệu nạo vét làm vật liệu xây dựng như đất đắp nền đường hoặc vật liệu san lấp.

KHẢ NĂNG SỬ DỤNG BÙN CÁT BIỂN LÀM VẬT LIỆU ĐẮP NỀN ĐƯỜNG NGUYỄN CHÂU LÂN*, NGUYỄN VIẾT THANH**, ĐẶNG HỒNG LAM***, PHÍ HỒNG THỊNH****, NGUYỄN ĐỨC HIẾU*****, NGUYỄN HẢI HÀ******, ĐỖ TUẤN NGHĨA******* On the utilization of dredged marine sediments for construction materials Abstract: Dredging sediments is necessary to maintain navigation in waterways and access to harbours However, the management of dredged sediments is a worldwide issue Dumping the sediments at sea is concerned due to its effects on the marine environment This paper focuses on the utilization of dredged marine sediments for construction material The dredged marine sediments taken from Hai Phong and Quang Ninh area were modified by adding quicklime, Portland cement, and fly ash Geotechnical test of the modified dredged marine sediments was conducted for sample after mixing of days and 28 days Unconfined compression result showed that the strength of the material is higher due to the increment of cement/lime content In addition, SEM and XRD were also conducted to obtain microstructure and chemical composition of material after mixing with additive Keywords: marine sediments, lime, cement, XRD, SEM GIỚI THIỆU CHUNG * Hiện nay, việc nạo vét bùn để đảm bảo luồng hải hải ngày trở lên quan trọng Tuy nhiên nhiều trƣờng hợp việc nhấn chìm bùn nạo vét ngồi biển nảy sinh vấn đề ảnh hƣởng đến môi trƣờng biển Để giải vấn * Khoa Cơng trình - Đại học Giao thơng Vận tải 03 Cầu Giấy-Láng Thượng-Đống Đa-Hà Nội Email: nguyenchaulan@utc.edu.vn ** Khoa Công trình - Đại học Giao thơng Vận tải Email: vietthanh@utc.edu.vn *** Khoa Cơng trình - Đại học Giao thơng Vận tải Email: dang.hong.lam@utc.edu.vn **** Khoa Cơng trình - Đại học Giao thông Vận tải Email: nguyenchaulan@utc.edu.vn ***** Khoa Đào tạo Quốc tế - Đại học Giao thông Vận tải Email: Hieuduc3107@gmail.com ****** Khoa cơng trình- Đại học Giao thơng Vận tải Email: Hieuduc3107@gmail.com ****** Khoa Cơng trình - Đại học Thủy Lợi Email: dotuannghia@tlu.edu.vn đề này, đất nạo vét sau đƣợc xử lý xi măng đƣợc sử dụng làm vật liệu xây dựng dự án đòi hỏi cƣờng độ thiết kế thấp, dao động từ 100 kPa đến 500 kPa Đất sét đƣợc xử lý xi măng đƣợc sử dụng làm vật liệu xây dựng, việc lấp đầy đê quai, kè ngập nƣớc, gần đƣợc nghiên cứu làm vật liệu đắp đƣờng Các tính chất vật lý bùn nạo vét đƣợc xử lý xi măng đƣợc nhiều tác giả nghiên cứu [3], [4] Các nghiên cứu việc huy động cƣờng độ đất sét trộn với xi măng chịu ảnh hƣởng nhiều yếu tố, chẳng hạn nhƣ loại chất kết dính khối lƣợng chất kết dính [2] , phƣơng pháp trộn phụ gia [5], điều kiện bảo dƣỡng [6], [7], đặc tính chất đất [8] Các phƣơng trình thực nghiệm dựa số khác đƣợc đề xuất để dự đoán ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 10 phát triển cƣờng độ đất trộn xi măng Các số phƣơng trình bao gồm tỷ lệ khối lƣợng xi măng đất khô ([9], [4]), khối lƣợng xi măng thể tích đất ƣớt m3 [2], tỷ lệ nƣớc-xi măng [4], [10], hệ số rỗng [11], tổng tỷ lệ nƣớc-xi măng [3], [4], tỷ lệ ứng suất [12], [13], gia tăng khối lƣợng nƣớc bị ràng buộc đơn vị thể tích (kg /m3 ) tăng khối lƣợng nƣớc hydrat đơn vị thể tích (kg/m3), độ xốp chia cho hàm lƣợng xi măng thể tích [14], [15], số hoạt động đất sét Tuy nhiên Việt nam có nghiên cứu đƣa giải pháp cải thiện tính vật liệu nạo vét Do báo trình bày kết thí nghiệm bƣớc đầu cải thiện vật liệu nạo vét làm vật liệu xây dựng nhƣ đất đắp đƣờng vật liệu san lấp VẬT LIỆU- PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu Mẫu nạo vét bùn đƣợc lấy từ khu vực Hải Phòng Quảng Ninh Mẫu đƣợc đựng thùng nhựa, bọc kín để tránh thay đổi độ ẩm sau vận chuyển đến phịng thí nghiệm Trƣờng Đại học Giao thơng vận tải để tiến hành Sau mẫu bùn đƣợc thí nghiệm tiêu lý cấu trúc vi mô 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu a Phƣơng pháp chế tạo mẫu - Cân khối lƣợng bùn nạo vét, chất kết dính (xi măng, vơi) Dùng máy trộn trộn bùn nạo vét xi măng, vôi xi măng kết hợp với tro bay khoảng phút với tốc độ để đảm bảo đồng Sử dụng máy trộn tự động với công suất 5L, tốc độ quay 120 vòng/phút  Mẫu trộn xi măng: hàm lƣợng xi măng: 50,75,100,150 kg/m3  Mẫu trộn vôi: hàm lƣợng vôi 100, 150, 200 250 kg/m3  Mẫu trộn xi măng tro bay: 50,75,100kg/m3 - Đúc mẫu ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 11 Sau tiến hành đúc mẫu, tổ mẫu có viên mẫu Mẫu đƣợc cho vào khn nhựa có kích thƣớc 50 mm ×100 mm Cho hỗn hợp đƣợc trộn vào khuôn đƣợc đậy nắp đầu Hỗn hợp trộn cho vào khuôn theo nhiều lớp Mỗi lớp đƣợc lèn chặt để khơng có lỗ rỗng mẫu đất Bịt kín đầu cịn lại khuôn bao nylon Ghi số hiệu mẫu nhãn mẫu dán nhãn lên mẫu Số lƣợng mẫu đƣợc cho Bảng Bảng 1: Số lƣợng mẫu thí nghiệm Thứ tự tổ mẫu Vôi Vôi Vôi Vôi 100 150 200 150 Số lƣợng mẫu 6 6 Vôi Vôi Xi măng Xi măng 200 250 50 75 4 6 10 11 Xi măng Xi măng Xi măng Xi măng+ tro bay 100 100 150 100; 150 4 12 Tỉ lệ trộn (kg/m3) b Phƣơng pháp thí nghiệm Trong báo tiêu lý bùn nạo vét trƣớc sau trộn với xi măng, vôi, tro bay đƣợc thực theo tiêu chuẩn ASTM đƣợc liệt kê nhƣ Bảng Ngồi ra, nghiên cứu cịn thực phân tích thành phần hóa học cho mẫu đất trƣớc sau trộn thơng qua thí nghiệm nhiễu xạ tia X (XRD - X-ray Diffraction) thực quan sát cấu trúc vi mô mẫu đất thông qua thí nghiệm SEM (SEM – Scanning Electronic Microscopy/kính hiển vi điện tử quét) Bảng 3: Kết thí nghiệm tiêu vật lý Bảng 2: Các tiêu chuẩn thí nghiệm theo ASTM Tên thí nghiệm Tiêu chuẩn áp dụng TT Độ ẩm ASTM D 2216 Trọng lƣợng thể tích ASTM D 2937-00 Phân tích thành phần hạt Máy phân Độ hạn ẩm dẻo W (%) WP (Nhật bản) (Quảng 75 Ninh) Chỉ tiêu Atterberg ASTM D 4318 Thí nghiệm nén nở hơng (Hải ASTM D 2166-91 Phịng) KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 3.1 Kết thí nghiệm lý Giới lƣợng hạn Tỷ chảy thể trọ ng tích tự WL (%) (%) tích hãng Horiba Khố i Giới nhiên g/cm3 25,6 41,6 2,56 1,33 17,14 2,6 1,4 39,7 28,0 3.2 Kết thí nghiệm nén nở hơng Hình Đường cong phân bố cỡ hạt mẫu bùn Quảng Ninh Hình Thí nghiệm nén nở hơng Bảng Kết thí nghiệm nén nở ngang Hình Đường cong phân bố cỡ hạt mẫu bùn Hải Phịng Kết phân tích thành phần hạt mẫu bùn đƣợc Hình Hình Các thơng số nhƣ độ ẩm, giới hạn chảy, giới hạn dẻo đƣợc cho Bảng bên dƣới: Số Thàn Khố i qu hiệu h lƣợng (kPa), qu (kPa), mẫu phần (kg/m ) ngày 28 ngày Xi 12,17 17,17 mă n 18,35 18,35 g 150,2 160,48 148,02 168,04 160,3 321,25 180,4 259,10 50 75 100 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 12 Số Thàn Khố i qu hiệu h lƣợng (kPa), qu (kPa), mẫu phần (kg/m3) ngày 28 ngày Vôi 4,5 5,8 4,2 5,90 4,3 5,87 4,0 5,8 11 5,0 6,0 12 5,1 6,1 5,2 6,2 14 10,21 12,21 15 10,3 12,3 10,40 13,2 10 100 13 150 16 200 Hình 4a Mẫu bùn+xi măng (50 kg/m3) Xi mă n g+tr Hình 4b Mẫu bùn+xi măng (75 kg/m3) o bay (30% tro 19 bay) 100 47 200 3.3 Kết thí nghiệm XRD Thí nghiệm nhiễu xạ tia X đƣợc thực mẫu đất bùn trộn 50 kg/m3; 75 kg/m3 100 kg/m3 xi măng có kết nhƣ hình Các phổ nhiễu xạ cho thấy pha tinh thể chủ yếu tồn mẫu bùn trộn xi măng gồm có: SiO2 CaO Hàm lƣợng xi măng cao đỉnh SiO2 lớn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 13 Hình 4c Mẫu bùn+xi măng (100 kg/m3) Hình Kết phân tích mẫu XRD 3.4 Kết thí nghiệm SEM/EDX Sau đó, nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát hình thái cấu trúc hạt mẫu bùn sau trộn với hàm lƣợng xi măng khác Ảnh SEM hình với độ phóng đại 20 000 lần Hình ảnh quan sát đƣợc mẫu bùn trộn với xi măng tƣơng đồng với kết đƣợc công bố với nhúm tỏc gi [3], [4] ro Lớp bê tông asphalt Líp base Líp bïn gia cè xi măng Hỡnh 5a Mu bựn+50 kg/m3 xi mng Hỡnh Mơ hình kết cấu mặt đường Hình 5b Mẫu bùn+75 kg/m3 xi măng Kết cấu mặt đƣờng kết cấu nhiều lớp Phần mềm Plaxis phần mềm phần tử hữu hạn (FEM) đƣợc dùng để tính tốn cho đất bùn nạo vét gia cố xi măng Kết cấu nền-mặt đƣờng đƣợc mơ tả nhƣ hình vẽ dƣới Sử dụng mơ hình biến dạng trục 2D phần mềm Plaxis để tính tốn Mơ hình mặt đƣờng đƣợc giả thiết có lớp bê tơng asphalt dày cm, lớp base dày 40 cm, lớp đất dày 250 cm Mơ hình vật liệu đƣợc cho nhƣ bảng dƣới Khi thiết kế mặt đƣờng, tải trọng đƣợc giả thiết phân bố Tải trọng trục 100 kN áp lực tiếp xúc 0.7 MPa với diện tích tiếp xúc lốp mặt đƣờng 0.134 m2 với bán kính r0 0.152 m Bảng Tham số đầu vào cho phần tử hữu hạn Hình 5c Mẫu bùn+100 kg/m3 xi măng Hình 5: Kết phân tích mẫu SEM 3.5 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn FEM tính tốn đƣờng sử dụng bùn gia cố Nghiên cứu đề xuất sử dụng lớp bùn gia cố xi măng làm vật liệu đắp Vật liệu Asphal Lớp t base Mô hình vật Elastic Elastic liệu Chiều Đ ất (bùn+xi măng) MohrCoulomb dày 0,07 0,4 2,5 Trọ ng lƣợng 19,6 23,5 17,4 (m) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 14 thể tích (kN/m3) Mơ đun đàn 1400 500 30 - - 24 - - 30 0,35 0,25 0,45 Hình Kết tính tốn chuyển vị ứng với mơ đun đàn hồi Eđất=10 Mpa hồ i (MPa) Lực dính đơn vị (kPa) Góc ma sát Hệ số Poisson Ảnh hƣởng mô đun đàn hồi Xét ảnh hƣởng mô đun đàn hồi lớp bùn trộn xi măng chuyển vị đƣờng Hình Kết tính tốn chuyển vị ứng với mơ đun đàn hồi Eđất=30 Mpa Hình Kết tính tốn chuyển vị ứng với mơ đun đàn hồi Eđất=5 Mpa Hình 10 Kết tính tốn chuyển vị ứng với mơ đun đàn hồi Eđất=1 Mpa Bảng Kết tính tốn mơ hình Plaxis 2D TT Mô đun đàn hồi (MPa) 10 30 Chuyển vị (mm) 19,12 7,83 5,28 2,77 Từ kết cho thấy mô đun đàn hồi ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 15 đƣờng ảnh hƣởng đến chuyển vị mặt đƣờng, trƣờng hợp mô đun đàn hồi tăng lên chuyển vị giảm Trƣờng hợp mơ đun đƣờng MPa chuyển vị lớn 19.12 mm, ngƣợc lại mô đun đàn hồi đất 30 MPa chuyển vị nhỏ (2.77mm) Nhƣ q trình thi cơng cần đảm bảo mô đun đàn hồi đất bên dƣới lớn 3.6 Thảo luận • Kết tính tốn cho thấy trộn với vôi, cƣờng độ bùn sau trộn có tăng lên nhƣng khơng nhiều, chƣa đủ để làm vật liệu • Đối với mẫu bùn trộn xi măng hàm lƣợng cho giá trị cƣờng độ nén nở hơng sau 28 ngày qu=260-321 kPa, sử dụng làm vật liệu đắp (>75 kPa), kết thí nghiệm có thống với nghiên cứu giới [1], [16]–[20]  Từ kết cho thấy mô đun đàn hồi đƣờng ảnh hƣởng đến chuyển vị mặt đƣờng, trƣờng hợp mô đun đàn hồi tăng lên chuyển vị giảm 3.7 Áp dụng trƣờng - Có thể áp dụng phƣơng pháp đơn giản thi công nhƣ sau: 150 m3 /h Máy trộn có cơng xuất 30kW Đầu vào có ống, ống cho Bùn, ống cho xi măng ống lại cho phụ gia Việc thi cơng kiểm tra chất lƣợng dùng phƣơng pháp xuyên, CBR… KẾT LUẬN Từ kết thí nghiệm mơ FEM, rút kết luận sau đây:  Đối với khu vực kiến nghị sử dụng hàm lƣợng xi măng 100 kg/m3 để gia cố dùng xi măng trộn với tro bay  Phƣơng pháp FEM cho thấy mô đun đàn hồi vật liệu bùn trộn xi măng có ảnh hƣởng nhiều đến chuyển vị mặt đƣờng  Bƣớc đầu nghiên cứu cho thấy sử dụng vật liệu bùn cát biển làm vật liệu đắp đƣờng Các nghiên cứu sâu cần đƣợc tiến hành để áp dụng vào thực tiễn LỜI CẢM ƠN Bài báo đƣợc hoàn thành từ nguồn tài trợ đề tài cấp Bộ mã số DT194074, 2019 Tác giả xin trân trọng cảm ơn TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 10 Sơ đồ gia cố ngồi trường Hình 10 trình tự thi cơng kiểm tra chất lƣợng theo bùn cát biển cải tạo cách trộn với xi măng phụ gia Theo tiêu chí cƣờng độ bùn trộn xi măng phải lớn 75kPa sau 28 ngày Một số công nghệ giới áp dụng phƣơng pháp gia cƣờng bùn nhƣ Trung Quốc, Nhật Bản Các cơng nghệ dùng máy trộn có lực trộn khoảng 120- [1] G Kang, T Tsuchida, and A M R G Athapaththu, ―Strength mobilization of cementtreated dredged clay during the early stages of curing,‖ Soils Found., vol 55, no 2, pp 375– 392, 2015 [2] S Seng And H Tanaka, ―Properties Of Cement-Treated Soils During Initial Curing Stages,‖ Soils Found., Vol 51, no 5, pp 775– 784, 2011 [3] S Horpibulsuk, N Miura, and T S Nagaraj, ―Assessment of strength development in cement-admixed high water content clays with Abrams‘ law as a basis,‖ Géotechnique, vol 53, no 4, pp 439–444, 2003 [4] N Miura, S Horpibulsuk, And T S ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 16 Nagaraj, ―Engineering Behavior Of Cement Stabilized Clay At High Water Content,‖ Soils Found., vol 41, no 5, pp 33–45, 2001 [5] S Larsson, M Rothhämel, and G Jacks, ―A laboratory study on strength loss in kaolin surrounding lime-cement columns,‖ Appl Clay Sci., vol 44, no 1–2, pp 116–126, 2009 [6] N C Consoli, G V Rotta, and P D M Prietto, ―Influence of curing under stress on the triaxial response of cemented soils,‖ Géotechnique, vol 50, no 1, pp 99–105, 2000 [7] M Suzuki, T Fujimoto, and T Taguchi, ―Peak and residual strength characteristics of cement-treated soil cured under different consolidation conditions,‖ Soils Found., vol 54, no 4, pp 687–698, 2014 [8] M Kamon, T Katsumi, T Inui, Y Ogawa, and S Araki, ―Hydraulic Performance of Soil-Bentonite Mixture Barrier,‖ in 5th ICEG Environmental Geotechnics: Opportunities, Challenges and Responsibilities for Environmental Geotechnics, pp 733–740 [9] H Güllü, ―On the viscous behavior of cement mixtures with clay, sand, lime and bottom ash for jet grouting,‖ Constr Build Mater., vol 93, pp 891–910, 2015 [10] G Suzuki et al., ―Comprehensive evaluation of dioxins and dioxin-like compounds in surface soils and river sediments from e-waste-processing sites in a village in northern Vietnam: Heading towards the environmentally sound management of ewaste,‖ Emerg Contam., vol 2, no 2, pp 98– 108, 2016 [11] L G A and B D T., ―Fundamental Parameters of Cement-Admixed Clay—New Approach,‖ J Geotech Geoenvironmental Eng., vol 130, no 10, pp 1042–1050, Oct 2004 [12] K Kasama, K Zen, And K Iwataki, ―Undrained Shear Strength Of Cement-Treated ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 17 Soils,‖ Soils Found., vol 46, no 2, pp 221– 232, 2006 [13] K Kasama, K Zen, And K Iwataki, ―High-Strengthening Of Cement-Treated Clay By Mechanical Dehydration,‖ SOILS Found., vol 47, no 2, pp 171–184, 2007 [14] E Mengue, H Mroueh, L Lancelot, and R Medjo Eko, ―Physicochemical and consolidation properties of compacted lateritic soil treated with cement,‖ Soils Found., vol 57, no 1, pp 60–79, 2017 [15] C N Cesar, C R Caberlon, F M Felipe, and F Lucas, ―Parameters Controlling Tensile and Compressive Strength of Artificially Cemented Sand,‖ J Geotech Geoenvironmental Eng., vol 136, no 5, pp 759–763, May 2010 [16] Y Huang, C Dong, C Zhang, and K Xu, A dredged material solidification treatment for fill soils in East China: A case history, vol 35, no 2017 [17] Y Huang, W Zhu, X Qian, N Zhang, and X Zhou, ―Change of mechanical behavior between solidified and remolded solidified dredged materials,‖ Eng Geol., vol 119, no 3– 4, pp 112–119, 2011 [18] V Dubois, N E Abriak, R Zentar, and G Ballivy, ―The use of marine sediments as a pavement base material,‖ Waste Manag., vol 29, no 2, pp 774–782, 2009 [19] I Develioglu and H F Pulat, ―Compressibility behaviour of natural and stabilized dredged soils in different organic matter contents,‖ Constr Build Mater., vol 228, p 116787, 2019 [20] K Siham, B Fabrice, A N Edine, and D Patrick, ―Marine dredged sediments as new materials resource for road construction,‖ Waste Manag., vol 28, no 5, pp 919–928, 2008  ... tính vật liệu nạo vét Do báo trình bày kết thí nghiệm bƣớc đầu cải thiện vật liệu nạo vét làm vật liệu xây dựng nhƣ đất đắp đƣờng vật liệu san lấp VẬT LIỆU- PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu. .. Mẫu bùn+ 100 kg/m3 xi măng Hình 5: Kết phân tích mẫu SEM 3.5 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn FEM tính tốn đƣờng sử dụng bùn gia cố Nghiên cứu đề xuất sử dụng lớp bùn gia cố xi măng làm vật liệu đắp Vật. .. chuyển vị mặt đƣờng  Bƣớc đầu nghiên cứu cho thấy sử dụng vật liệu bùn cát biển làm vật liệu đắp đƣờng Các nghiên cứu sâu cần đƣợc tiến hành để áp dụng vào thực tiễn LỜI CẢM ƠN Bài báo đƣợc hoàn