Sử dụng mô hình số để đánh giá hoạt tính của pozzolan tự nhiên trong quá trình gia cố đất

Pozzolan tự nhiên là một trong những nguyên liệu thô thường xuyên được sử dụng trong quá trình ổn định đất. Bài viết sử dụng mô hình nhiệt động lực học để đánh giá hoạt động pozzolan của pozzolan tự nhiên. Dựa trên thành phần khoáng vật của hai loại pozzolan tự nhiên: Một của Daknong-Việt Nam và một ở Bigadiç-Thổ Nhĩ Kỳ, mô hình nhiệt động lực học có thể mô phỏng thành phần hóa học của dung dịch lỗ rỗng, lượng kết tủa khoáng.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ SỬ DỤNG MƠ HÌNH SỐ ĐỂ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH CỦA POZZOLAN TỰ NHIÊN TRONG QUÁ TRÌNH GIA CỐ ĐẤT Nguyễn Hữu Năm Viện Thủy điện Năng lượng tái tạo Tóm tắt: Pozzolan tự nhiên nguyên liệu thô thường xuyên sử dụng trình ổn định đất Bài báo sử dụng mơ hình nhiệt động lực học để đánh giá hoạt động pozzolan pozzolan tự nhiên Dựa thành phần khoáng vật hai loại pozzolan tự nhiên: mt ca Daknong-Vit Nam v mt Bigadiỗ-Th Nh K, mơ hình nhiệt động lực học mơ thành phần hóa học dung dịch lỗ rỗng, lượng kết tủa khống Từ mơ này, tính số lượng canxi silicat ngậm nước C-S-H canxi silicat silicat ngậm nước C-A-S-H Các trường hợp thiết kế hỗn hợp khác nhau: đất / pozzolan / vôi thiết lập Trong tất trường hợp, việc so sánh số lượng C-S-H C-A-S-H hai pozzolan tự nhiên thực để đánh giá hoạt động pozzolanic pozzolan tự nhiên Mơ hình nhiệt động lực học dường coi công cụ để đánh giá hoạt động pozzolan pozzolan tự nhiên Từ khóa: Mơ hình số, Hoạt động pozzolan tự nhiên, Q trình ổn định đất, Đăknơng, Việt Nam Summary: Natural pozzolan is one of raw materials that is regularly used in the soil stabilization process The paper uses thermodynamic model to evaluate pozzolanic activity of natural pozzolan Based on mineralogical composition of two types natural pozzolan: one of Daknong-Vietnam and another one of Bigadiỗ-Turkey, the thermodynamic model can simulate chemical composition of pore solution, mineral precipitation quantity From this simulation, numerical quantity calcium silicate hydrated C-S-H and calcium aluminate silicate hydrated C-A-S-H can be calculated Different cases of mix design: soil/pozzolan/lime are set up In all of the cases, a comparison of quantity C-S-H and C-A-S-H between of two natural pozzolan is carried out to evaluate the pozzolanic activity of the each natural pozzolan Thermodynamic model seems to be considered as a tool to evaluate pozzolanic activity of natural pozzolan Keywords: Numerical model, Activity of natural pozzolan, Soil stabilization process, Daknong Vietnam GIỚI THIỆU * Kinh tế phát triển đòi hỏi phải xây dựng sở hạ tầng Điều dẫn đến việc sử dụng vật liệu xây dựng ngày nhiều Tuy nhiên, với mục đích giảm thiểu tác động hiệu ứng nhà kính khí CO2 từ trình sản xuất vật liệu xây dựng, đó, việc sử dụng nguyên liệu thay nguyên liệu công nghiệp cần thiết để bảo vệ môi trường Pozzolan tự nhiên Ngày nhận bài: 19/02/2021 Ngày thông qua phản biện: 22/3/2021 nguyên liệu thô sử dụng nhiều để làm chất kết dính trình ổn định đất xây dựng Trên thực tế, tồn nhiều loại pozzolan tự nhiên với mức độ hoạt động khác Mỗi loại pozzolan sử dụng dẫn đến tính chất đất ổn định khác nhau, ảnh hưởng đến chất lượng cơng trình Vì vậy, việc lựa chọn pozzolan quan trọng Mô hình địa hóa đề xuất [1] xác nhận để tìm Ngày duyệt đăng: 02/4/2021 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ thiết kế hỗn hợp đất ổn định cách sử dụng pozzolan tự nhiên Do đó, mơ hình địa hóa khuyến nghị để đánh giá hoạt động pozzolan pozzolan tự nhiên Dựa đánh giá, việc lựa chọn pozzolan thích hợp khả thi Trong phần đầu tiên, số phương trình mơ hình địa hóa trình bày Trong phần giới thiệu phương trình hệ phản ứng hóa học đất ổn định sử dụng pozzolan, xi măng vôi thơng số đầu vào mơ hình địa hóa thành phần khoáng đất tự nhiên, thành phần khoáng ca pozzolan t nhiờn Daknong [1] v Bigadiỗ [2], cng thiết kế kết hợp Kết so sánh hai loại pozzolan thực phần Kết luận góc nhìn đưa phần cuối viết ISm = log Ωm (2) Đối với loại khoáng cho, dung dịch cân với loại khoáng ISm=0 Dung dịch chưa bão hịa loại khống chất hòa tan ISm0 Các phức chất nước hình thành tương tác loài nguyên sinh dung dịch Các phản ứng giả định trạng thái cân cục Bằng cách sử dụng định luật tác dụng khối lượng, nồng độ phức chất nước biểu thị dạng hàm số nồng độ loài nguyên sinh, sau: Nc Ci = −1 νij K −1 c,i γi ∏(γj Cj ) j=1 i (3) = 1, … , Nx TIẾP CẬN MƠ HÌNH A Cân nhiệt động lực học Sự tương tác ion lồi khống dẫn đến kết tủa / hịa tan khống chất Tỷ lệ bão hịa khống Ωm biểu thị bằng: Nc νmj Ωm = K −1 m s,m ∏(γj Cj ) j=1 (1) = 1, … , Np Trong m số lồi khống, Ks,m số cân bằng.Cj nồng độ mol loài nguyên sinh dung dịch (mol.kg-1) tức loài cho di chuyển dung dịch/Các ion khác (thường phức tạp hơn) tính đến tính tốn độ phức ion (xem phương trình 3) νmj hệ số phân cực loài nguyên sinh, γj hệ số hoạt độ ion j, Nc, Np số lồi ngun sinh lồi khống tương ứng Trạng thái cân (hoặc không cân bằng) loại khoáng dung dịch kiểm soát số bão hồ khống ISm, sau: Ci nồng độ mol phức chất nước i (mol kg −1 ) γi , γj hệ số hoạt động Kc,i số cân tạo phức nước Nx số phức chất nước xem xét dung dịch Cơ sở liệu nhiệt động lực học bao gồm thông số này, sở liệu nhiệt động học THERMODDEM Blanc cộng [3] áp dụng báo B Phản ứng hóa học liệu đầu vào cần thiết Thành phần khoáng vật vật liệu ban đầu: Đất, vôi, tro núi lửa xác định phương pháp nhiễu xạ tia X dạng bột (XRD) Tính tốn Bogue để xác định giai đoạn clinker khơng làm khan xi măng pc lăng thơng thường (OPC) trình bày chi tiết cơng trình Tran [4] Thành phần khoáng vật ban đầu hỗn hợp cho bảng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Bảng 1: Thành phần khống vật vật liệu ban đầu Pha Công thức Thành phần (g/100g) Quartz SiO2 Kaolinite Al2Si2O5(OH)4 23 Gibbsite Al(OH)3 61 Lime CaO 66 Portlandite Ca(OH)2 16 Calcite CaCO3 Periclas MgO Quartz SiO2 Pozzolan Diopside CaMg(SiO3)2 29 Tự nhiên Dắknông Forsterite Mg2SiO4 23 Cristobalite SiO2 Albite NaAlSi3O8 27 Quartz SiO2 Quartz SiO2 0.5 Clinoptilolite Ca0.55(Si4.9Al1.1) 82.9 Vt liu t Vụi Pozzolan t nhiờn Bigadiỗ O12.3.9H2O Opal SiO2.nH2O 6.1 Biotite Fe3(OH)2(Si3AlO10) 2.1 Albite Ca3SiO5 6.5 Xi măng Portland Alite (C3S) Ca3SiO5 or 16.75 Unhydrated Belite (C2S) Ca2SiO4 or (2CaO SiO2) 54.45 Aluminate (C3A) Ca3Al2O6 or (3CaO.Al2O3) 14.08 Ferrites (C4AF) Ca4Al2Fe2O10 or (4CaO.Al2O3.Fe2O3) 8.52 Gypsum CaSO4.2H2O 1.40 (3CaO.SiO2) Hệ thống phản ứng hóa học q trình ổn định đất trình bày bảng 2, số cân môi trường xung quanh 25 C, atm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Bảng 2: Phản ứng hóa học số cân 25 ° C, atm Phương trình phản ứng hóa học log K Quartz + 2H2 O = H4 SiO4 -3.74 Kaolinite + 6H + = 2Al 3+ + 2H4 SiO4 + H2 O 6.47 Gibbsite + 3H + = Al 3+ + H2 O 7.74 Hematite + 6H + = 2Fe 3+ + H2 O -0.04 Goethite + 3H + = Fe 3+ + H2 O 0.36 Lime + 2H + = Ca2+ + H2 O 32.70 Portlandite + 2H + = Ca2+ + 2H2 O 22.81 Calcite + H + = Ca2+ + HCO− 1.85 Periclas + 2H + = Mg 2+ + H2 O 21.59 Diopside + 4H + + 2H2 O = Ca2+ + Mg 2+ + 2H4 SiO4 21.73 Forsterite + 4H + = 2Mg 2+ + H4 SiO4 28.60 Cristobalite + 2H2 O = H4 SiO4 -3.16 Albite + 4H + + 4H2 O = Al 3+ + Na+ + 3H4 SiO4 4.14 C − S − H 1.6 + 3.2H + = 1.6Ca2+ + H4 SiO4 + 2.18H2 O 28.00 C − S − H 1.2 + 2.4H + = 1.2Ca2+ + H4 SiO4 + 1.26H2 O 19.30 C − S − H 0.8 + 1.6H + = 0.8Ca2+ + H4 SiO4 + 0.34H2 O 11.05 Monosulfoaliminate + 12H + = 2Al3+ + 4Ca2+ + SO2− + 18H2 O 73.09 Ettringite + 12H + = 2Al 3+ + 6Ca2+ + 3SO2− + 38H2 O 57.01 Strätlingite + 10H + = 2Al 3+ + 2Ca2+ + H4 SiO4 + 10.5H2 O 49.67 Hydrotalcite + 14H + = 2Al 3+ + 4Mg 2+ + 17H2 O 73.76 Hydrogarnet + 12H + = 2Al 3+ + 3Ca2+ + 12H2 O 49.67 Brucite + 2H + = Mg 2+ + 2H2 O 17.11 Monocarboaluminate + 13H + = 2Al 3+ + 4Ca2+ + HCO− + 16.68H2 O 80.54 KẾT QUẢ Thiết kế hỗn hợp sử dụng để mô với hàm lượng pozzolan tự nhiên 10%, 15% 20% khối lượng, hàm lượng xi măng vôi cố định 3% 4% Lượng CS-H C-A-S-H mơ hình hai trường hợp pozzolan khác thể Hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ (g/100g đấ t) Hình 3: So sánh hàm lượng khoáng C-S-H + C-A-S-H đất ổn định sử dụng pozzolan tự nhiên khai thác DaknongViệt Nam v Bigadiỗ, Th Nh K Qua hỡnh 3, cú th dễ dàng nhận thấy với pozzolan tự nhiên Daknong, thiết kế hỗn hợp đất / pozzolan / xi măng / vôi cho thiết kế hỗn hợp tối ưu với 15% pozzolan sử dụng, ngược lại điều không xảy với thiết kế hỗn hợp sử dụng pozzolan t nhiờn Bigadiỗ Vi hm lng 10%, 15% v 20% ca pozzolan Bigadiỗ t nhiờn c s dng, hm lượng khoáng học CS-H C-A-S-H tương đương, khơng có khác biệt hàm lượng khác nhau, dẫn đến độ bền học trường hợp tương đương Bảng 3: Kết số lượng tỷ lệ hàm lượng khoáng C-S-H C-A-S-H hình thành sử dụng pozzolan tự nhiờn Bigadiỗ v knụng vi cỏc lng khỏc Tr ng lượ ng pozzolan tự nhiên đượ c sử dụ ng C-S-H Pozzolan Bigadiỗ/pozz olan Daknong C-A-S-H Pozzolan Bigadiỗ/pozzol an Daknong 10 0.97 3.25 15 0.68 0.77 20 0.88 3.25 Bảng tóm tắt khác biệt hàm lượng khoáng C-S-H C-A-S-H trường hợp sử dụng pozzolan t nhiờn Bigadiỗ trờn pozzolan t nhiờn Daknong Khi hàm lượng pozzolan tự nhiên sử dụng 10%, thấy lượng khống C-S-H tạo tương đương pozzolan tự nhiên, tỷ lệ chênh lệch 0,97 Với hàm lượng 20% pozzolan tự nhiên, pozzolan tự nhiên Daknong cho hàm lượng C-S-H lớn Tuy nhiên, khác biệt nhỏ khác biệt sử dụng 15% hàm lượng pozzolan tự nhiên, với hàm lượng này, Daknong pozzolan cho hm lng C-S-H cao nht v pozzolan t nhiờn Bigadiỗ cho hàm lượng C-S-H khơng đổi phân tích trờn Pozzolan t nhiờn Bigadiỗ to hm lng CA-S-H lớn hơn, gấp lần, sử dụng pozzolan tự nhiên 10% 20%, so sánh với việc sử dụng Daknong pozzolan Nhưng với hàm lượng tối ưu, pozzolan tự nhiên Daknong tạo hàm lượng C-A-S-H cao hơn, tỷ lệ hàm lượng C-A-S-H trường hp s dng pozzolan Bigadiỗ / Daknong nh hn 0,77 Pozzolan t nhiờn Bigadiỗ to mt lng ln hn C-A-S-H phần lớn phân bố hòa tan thành phần khoáng Clinoptilolite, chiếm lượng lớn pozzolan t nhiờn Bigadiỗ, theo phng trỡnh phn ng (4): Ca0.55 Si4.9 Al1.1 O12 ∙ 3.9H2 O + 4.4H + + 3.7H2 O = 1.1Al3+ + 0.55Ca2+ + 2H2 SiO4 (4) Clinoptilolit bị phân giải đồng thời tạo ion Al3+, Ca2+ phân tử hòa tan H2SiO4 (nước) nguyên tố đồng thời C-A-S-H, tạo nhiều ion Al3+ tạo cân cho gibbsite Al(OH)3 đất khơng bị hịa tan trường hợp sử dụng pozzolan tự nhiên Daknong TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ khống chất hịa tan Forsterit Cristobalit không tạo ion Al3+ khiến hệ thống phản ứng khơng cân hịa tan gibbsite Al(OH)3 để tạo lượng nhỏ C-A-S-H đạt hàm lượng pozzolan tối ưu Sự khác biệt hàm lượng khống cung cấp đặc tính học cho hỗn hợp đất ổn định C-S-H + C-A-S-H hai loại pozzolan tự nhiên phụ thuộc vào hàm lượng pozzolan tự nhiên sử dụng ảnh hưởng hàm lượng chất hoạt hóa Dùng làm vơi xi măng Tuy nhiên, giới hạn luận văn có nội dung sử dụng vơi xi măng để tìm hiểu hoạt tính pozzolan tự nhiên Trên sở so sánh mơ hình số với pozzolan t nhiờn c khai thỏc ti Bigadiỗ - Th Nhĩ Kỳ, kết luận pozzolan tự nhiên khai thác Daknong có thành phần khống tương đối tốt, nhiên khó cho q trình sử dụng để đạt chất lượng cao, thiết kế phải tối ưu hóa Hàm lượng tối ưu trng hp Daknong pozzolan v khụng vi pozzolan Bigadiỗ l trình cân loạt phản ứng trình bày Bảng 2, phương trình cân Clinoptilolit (4) Vì vậy, chế gia cố đất nói chung mang tính chất tương đối, để hiểu rõ tác dụng việc sử dụng pozzolan tự nhiên đến ổn định đất cần có mơ hình nhiệt động lực học để giải Các phương trình trình tự phản ứng diễn khơng đơn phản ứng pozzolanic đơn lẻ KẾT LUẬN Trong báo này, mơ hình địa hóa đề xuất để đánh giá hoạt động pozzolan pozzolan tự nhiên Đánh giá khả hoạt động pozzolan tự nhiên Daknong, mơ hình cho thấy pozzolan tự nhiên tương đối tốt với hàm lượng Forsterite Cristobalite pozzolan lên đến 24% so với pozzolan t nhiờn Bigadiỗ Th Nh K Tuy nhiờn, s dụng chất hoạt hóa vơi xi măng, việc thiết kế hàm lượng pozzolan tự nhiên Daknong tương đối khó cần phải tìm hàm lượng tối ưu Sự cần thiết mơ hình nhiệt động lực học lần khẳng định cách so sánh hoạt động pozzolan tự nhiên khai thỏc ti Daknong - Vit Nam v ti Bigadiỗ - Thổ Nhĩ Kỳ Do hạn chế thời gian, nhiều vấn đề nghiên cứu chế ổn định đất chưa làm rõ tích hợp mơ hình địa hóa ảnh hưởng nhiệt độ, ảnh hưởng pH, vai trị xi măng q trình phản ứng với hàm lượng vôi khác Đồng thời, thời gian phản ứng từ dự đốn phát triển cường độ theo thời gian Những vấn đề cho thấy nghiên cứu tương lai cần có nghiên cứu mơ kết hợp thí nghiệm để nâng cao độ xác mở rộng khả mơ mơ hình địa hóa nghiên cứu khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B T Vu et al., “A Geochemical Model for Analyzing the Mechanism of Stabilized Soil Incorporating Natural Pozzolan, Cement and Lime BT - Proceedings of China-Europe Conference on Geotechnical Engineering,” 2018, pp 852–857 [2] S Özen, “Pozzolanic activity of natural zeolites: mineralogical, chemical and physical characterization and examination of hydration products,” Middle East Technical, 2013 [3] P Blanc et al., “Thermoddem: A geochemical database focused on low temperature water/rock interactions and waste materials,” Appl Geochemistry, 2012 [4] Van Quan Tran, “Contribution la compréhension des mécanismes de dépassivation des armatures d’un béton exposé l’eau de mer : théorie et modélisation thermochimique,” Ecole Centrale de Nantes, France, 2016 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 ... hợp đất ổn định cách sử dụng pozzolan tự nhiên Do đó, mơ hình địa hóa khuyến nghị để đánh giá hoạt động pozzolan pozzolan tự nhiên Dựa đánh giá, việc lựa chọn pozzolan thích hợp khả thi Trong. .. LUẬN Trong báo này, mơ hình địa hóa đề xuất để đánh giá hoạt động pozzolan pozzolan tự nhiên Đánh giá khả hoạt động pozzolan tự nhiên Daknong, mơ hình cho thấy pozzolan tự nhiên tương đối tốt với... hàm lượng pozzolan tự nhiên sử dụng ảnh hưởng hàm lượng chất hoạt hóa Dùng làm vơi xi măng Tuy nhiên, giới hạn luận văn có nội dung sử dụng vơi xi măng để tìm hiểu hoạt tính pozzolan tự nhiên Trên