Nghiên cứu gia cố cấu trúc đất bùn sét theo công nghệ geopolymer để cải tạo nền đất yếu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN THU NGHIÊN CỨU GIA CỐ CẤU TRÚC ĐẤT BÙN SÉT THEO CÔNG NGHỆ GEOPOLYMER ĐỂ CẢI TẠO NỀN ĐẤT YẾU Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM Mã số chun ngành: 62.58.02.04 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2021 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Châu Ngọc Ẩn Người hướng dẫn khoa học 21: PGS TS Nguyễn Văn Chánh Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM Mã số chun ngành: 62.58.02.04 Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại……………………………………………………………………………vào lúc……giờ…….ngày ……tháng…….năm…………………………… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Khoa học Tổng hợp Thành phố Hồ Chí Minh - Thư viện Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Trần Văn Thu, Nguyễn Văn Chánh Tận dụng nguồn đất sét yếu chỗ phế thải công nghiệp tro bay để xây dựng đường giao thông nông thôn theo công nghệ geopolymer Hội thảo khoa học quốc gia Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng & Nhà xuất Xây dựng ISBN: 978-604-82-1809-6 trang 733-739, 9-2016 Trần Văn Thu, Hoàng Quốc Tuấn Tận dụng phế thải tro xỉ đất sét chỗ để làm đường giao thông theo công nghệ geopolymer Hội nghị khoa học công nghệ giao thông vận tải ISBN: 978-604-76-1578-0 trang 588-594, 5-2018 C Bài báo khoa học công bố kỷ yếu hội nghị/ hội thảo quốc tế Trần Văn Thu, Nguyễn Văn Chánh Study of geopolymer synthesized from fly ash to improve soft ground The 3rd Int Conf on Transport Infrastructure & Sustainable Development (TISDIC 2019) Construction Publishing House ISBN: 978-604-82-2893-4 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Đất yếu khơng thích hợp để sử dụng làm vật liệu đắp đường, kho bãi Hơn nữa, sử dụng đất rời phổ biến nước ta để đắp đường nguồn cát đắp mau chóng cạn kiệt Vì vậy, việc tìm giải pháp để cải thiện tính xây dựng đất tự nhiên chỗ để đắp đường, bãi nhằm giảm chi phí xây dựng cần thiết Để cải thiện đặc tính địa kỹ thuật đất yếu để sử dụng làm vật liệu đắp đường cao tốc có nhiều nghiên cứu sử dụng chất ổn định vôi, xi măng, tro bay cho số kết khả quan ban đầu Việc nghiên cứu sử dụng công nghệ geopolymer dựa tro bay để cải thiện đặc tính địa kỹ thuật đất yếu cách nhanh chóng hiệu để làm đắp gia cố thành cơng có ý nghĩa vô quan trọng việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ nhà máy nhiệt điện đốt than, đồng thời đảm bảo phát triển hạ tầng cách bền vững Đây vấn đề cần thiết, cấp bách, có ý nghĩa khoa học, thực tiễn cao Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Mục tiêu đề tài khảo sát tính chất xây dựng, tìm cấp phối hợp lý geopolymer tổng hợp từ đất sét yếu chỗ phế thải công nghiệp tro bay dưỡng hộ điều kiện nhiệt độ thường (xung quanh 280C) Các nghiên cứu tiến hành phòng thí nghiệm ngồi trường Phân tích đánh giá tiềm ứng dụng loại vật liệu geopolymer để gia cố làm vật liệu đắp đường bộ, bãi hàng hóa, xây dựng cơng trình ngầm đất yếu với điều kiện cụ thể Việt Nam Phương pháp nghhiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm phân tích đặc trưng nguyên liệu đầu vào ( đất sét, tro bay, dung dịch hoạt hóa kiềm); tiến hành tổng hợp geopolymer từ cấp phối khác nguyên liệu đầu vào nêu Trên sở phân tích thành phần, cấu trúc, đặc trưng học sản phẩm geopolymer thu phân tích đánh giá điều kiện phù hợp (về cấp phối, điều kiện dưỡng hộ) để tổng hợp geopolymer đáp ứng tốt yêu cầu đặt Nghiên cứu thí nghiệm trường để đánh giá tiêu lý vật liệu geopolymer với thành phần hợp lý theo kết thí nghiệm phịng, để 26 làm rõ khả ứng dụng thực tế xây dựng loại vật liệu geopolymer giảm nội lực chuyển vị hầm Ngoài ra, vật liệu geopolymer chống thấm tốt, ngăn chặn nguy xói ngầm đất xung quanh cơng trình ngầm Nghiên cứu thơng qua mơ hình tốn để tìm phương án gia cố vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro bay đất sét, cách hợp lý: khảo sát với phương án sử dụng đệm geopolymer, cột geopolymer từ phân tích, đánh giá hiệu phương phương án gia cố Kiến nghị Đối tượng phạm vi nghiên cứu Luận án thực nghiên cứu, phân tích số vấn đề sau: - Phân tích đặc điểm, tính chất nguồn vật liệu tro bay, đất sét chủ yếu Việt Nam góc độ nguồn vật liệu chủ yếu để tổng hợp vật liệu geopolymer; - Tìm cấp phối phù hợp: tỷ lệ thành phần vật liệu đầu vào bao gồm tro bay, đất sét, dung dịch hoạt hóa kiềm, để geopolymer tổng hợp đạt cường độ cao điều kiện dưỡng hộ nhiệt độ thường, phân tích yếu tố ảnh hưởng đến tính chất học geopolymer; - Đánh giá tiềm ứng dụng vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro bay, đất sét để làm đắp gia cố nền: làm đệm geopolymer cột geopolymer thông qua mô phương pháp phần tử hữu hạn; Thực thí nghiệm trường tỉ lệ thật 1:1, xây dựng đoạn đường đất yếu khu vực thành phố Hồ Chí Minh đồng sông Cửu Long, tiến hành thi công cột geopolymer làm đắp geopolymer tổng hợp từ đất chỗ, tro bay dung dịch hoạt hóa kiềm theo cấp phối tìm Tiến hành thí nghiệm để đánh giá chất lượng cơng trình theo tiêu chuẩn hành, từ có khuyến nghị thêm để triển khai rộng rãi thực tế DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ A Bài báo khoa học cơng bố tạp chí khoa học nước Trần Văn Thu, Nguyễn Văn Chánh Nghiên cứu công nghệ geopolymer tiềm ứng dụng để gia cố đất yếu Việt Nam Tạp chí Xây dựng ISSN0866-0762 trang 120÷122 số 3-2016 Trần Văn Thu, Châu Ngọc Ẩn Đặc tính học lớp đệm địa kỹ thuật vật liệu geopolymer tổng hợp từ nguồn đất sét chỗ phế thải tro bay Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Giao thơng Vận tải ISSN- 1859-4263 trang 103÷107 số 3-2020 - Đánh giá tiềm ứng dụng vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro bay, đất sét để ứng dụng xây dựng công trình ngầm thơng qua tính tốn ứng dụng vật liệu geopolymer cho cơng trình hầm dẫn nút giao Mỹ Thủy, thành phố Hồ Chí Minh; Trần Văn Thu Đặc tính học vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất bùn Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực với nguồn vật liệu đầu vào tro bay từ nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân ; B Bài báo khoa học công bố kỷ yếu hội nghị/ hội thảo nước Nghiên cứu quan tâm đến tính chất xây dựng vật liệu trước sau tổng hợp geopolymer, đặc biệt tính chất phục vụ trực tiếp cho tốn thiết kế thi cơng đắp đất yếu Chỉ có thí nghiệm trường tiến hành Nội dung luận án sét phế thải tro bay Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Giao thơng Vận tải ISSN1859-4263 trang 102÷107 số 5-2021 Trần Văn Thu, Nguyễn Văn Chánh Research geopolymer technology and potential applications for stabilization of soft ground in Viet nam Hội thảo khoa học Những tiến xây dựng kiến trúc ACEA 2016, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung Trần Văn Thu, Châu Ngọc Ẩn Đặc tính học lớp đệm địa kỹ thuật vật liệu geopolymer tổng hợp từ nguồn đất sét chỗ phế thải tro bay Hội thảo khoa học quốc gia Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng & Nhà xuất Xây dựng ISBN: 978-604-82-1809-6 trang 727-733, 9-2016 25 Cường độ nén nở hơng đạt ngồi trường qu= 34,7 daN/cm2, ứng với hàm lượng tro bay sử dụng 40%, tỷ lệ dung dịch chất hoạt hóa chiếm 40% khối lượng chất rắn nồng độ dung dịch NaOH 10 mol/l Giá trị cường độ nén lớn thu lớn gấp 151 lần cường độ chịu nén ban đầu đất chưa xử lý Mô đun đàn hồi lớn đạt E = 1663,5 daN/cm2 = 166,3 MPa (trong điều kiện lấy mẫu trường dưỡng hộ khô) Khi sử dụng phương tiện thi cơng sẵn có để đào đất, trộn bê tông để thi công hỗn hợp geopolymer từ đất yếu chỗ, tro bay Vĩnh Tân, dưỡng hộ điều kiện tự nhiên với đất xung quanh có độ ẩm cao, mơ đun đàn hồi vật liệu geopolymer đạt E = 637 daN/cm2 = 63,7MPa Cấu trúc Luận án gồm phần: Mở đầu, chương, kết luận kiến nghị Tổng cộng có 122 trang, có 67 hình vẽ 24 bảng biểu cơng thức tính tốn Phần phụ lục có 16 trang Với kết thực nghiệm trường đạt được, khẳng định việc sử dụng đất yếu chỗ kết hợp với tro bay Việt Nam (một loại tro bay có phẩm cấp thấp, hàm lượng nung cao, không sử dụng trực tiếp công nghệ bê tông thường) theo công nghệ geopolymer ứng dụng tốt thực tiễn để gia cố nền, dùng làm vật liệu đắp đường với phương tiện thiết bị thi cơng sẵn có công trường nền; Đối với việc ứng dụng geopolymer tổng hợp từ đất sét tro bay cho cơng trình đắp đường bộ: thích hợp cho loại đường giao thơng cấp V VI , tương ứng với yêu cầu kỹ thuật lớp mặt đường giao thông nông thôn; đáp ứng yêu cầu kỹ thuật để làm lớp móng cho loại đường (cấp I , II, III ); thích hợp làm lớp đáy móng đường thi phương pháp gia cố đất yếu công nghệ geopolymer sử dụng tro Đối với việc ứng dụng geopolymer tổng hợp từ đất sét tro bay để làm đệm geopolymer cột geopolymer: việc sử dụng đệm vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất yếu tro bay góp phần giảm đáng kể độ lún chuyển vị ngang đắp đất yếu Khi chiều dày lớp đất yếu không lớn, việc sử dụng đệm vật liệu geopolymer để gia cố đạt hiệu cao Việc sử dụng cột geopolymer tổng hợp từ đất yếu tro bay góp phần giảm mạnh độ lún chuyển vị ngang đắp đất yếu Việc sử dụng phương pháp gia cố cột geopolymer hiệu nhiều so với sử dụng đệm geopolymer chiều dày lớp đất yếu lớn Những đóng góp luận án Lần nghiên cứu gia cố đất sét yếu Việt Nam công nghệ geopolymer dựa tro bay Vĩnh Tân để gia cường cấu trúc đất dẫn đến tăng cường độ chịu nén đất yếu lên hàng trăm lần (151 lần trường), độ cứng tăng hàng trăm lần (146 lần trường) Với tiêu lý đạt đất yếu sau gia cố, đáp ứng tốt yêu cầu để làm đắp gia cố Đã xây dựng sở khoa học làm tảng nghiên cứu công nghệ geopolymer áp dụng công nghệ vào xử lý đất yếu; Đã sử dụng phương pháp thực nghiệm phòng trường để xác định cấp phối hợp lý hỗn hợp hệ nguyên vật liệu, góp phần chứng minh tính khả bay; Đã ứng dụng vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro bay đất yếu toán gia cố làm đệm geopolymer, làm cột geopolymer gia cố nền, làm lớp gia cố thành xung quanh cơng trình ngầm Mơ tính tốn để đánh giá bước đầu hiệu giải pháp Đã mở hướng xử lý lượng lớn phế thải tro bay cách sử dụng để làm đắp gia cố nền, làm giảm đáng kể nguy ô nhiễm môi trường loại phế thải gây 6.Trong xây dựng cơng trình ngầm, việc ứng dụng geopolymer tổng hợp từ đất sét tro bay thay phần đất xung quanh tường hầm có hiệu tốt việc 24 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN VÀ NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ GEOPOLYMER TỔNG HỢP TỪ TRO BAY VÀ ĐẤT SÉT 1.1 1.1.1 Tổng quan đất yếu giải pháp gia cố Mục tiêu công nghệ xử lý đất yếu Tùy theo chiều dày lớp đất yếu vị trí phân bố lớp đất yếu, cần có giải pháp xử lý lớp đất yếu trước xây dựng cơng trình Các mục tiêu xử lý đất yếu bao gồm: Đảm bảo vấn đề ổn định đắp; Đảm bảo vấn đề biến dạng đất yếu giới hạn cho phép; Hạn chế ảnh hưởng đến cơng trình lân cận; 1.1.2 Các công nghệ xử lý đất yếu Hiện nay, có nhiều cơng nghệ xử lý đất yếu Mỗi loại cơng nghệ có ưu, nhược điểm riêng, phù hợp với điều kiện cụ thể Dưới số công nghệ xử lý đất yếu điển hình: VI , tương ứng với yêu cầu kỹ thuật lớp mặt đường giao thông nông thôn; đáp ứng yêu cầu kỹ thuật để làm lớp móng cho loại đường (cấp I , II, III ); thích hợp làm lớp đáy móng đường Đối với việc ứng dụng geopolymer tổng hợp từ đất sét tro bay để làm đệm geopolymer cột geopolymer: việc sử dụng đệm geopolymer tổng hợp từ đất yếu tro bay góp phần giảm đáng kể độ lún chuyển vị ngang đắp đất yếu Khi chiều dày lớp đất yếu không lớn, việu sử dụng đệm vật liệu geopolymer để gia cố đạt hiệu cao Việc sử dụng cột geopolymer tổng hợp từ đất yếu tro bay góp phần giảm mạnh độ lún chuyển vị ngang đắp đất yếu Việc sử dụng phương pháp gia cố cột geopolymer hiệu nhiều so với sử dụng đệm geopolymer chiều dày lớp đất yếu lớn Trong xây dựng cơng trình ngầm, việc ứng dụng geopolymer tổng hợp từ đất sét tro bay thay phần đất xung quanh tường hầm có hiệu tốt việc giảm nội lực, chuyển vị hầm giảm nguy xói ngầm đất xung quanh cơng trình ngầm KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Thay toàn hay phần đất yếu vật liệu đắp tốt cát, cuội sỏi; Kết luận - Bố trí phương tiện thoát nước thẳng đứng: giếng cát, bấc thấm … Trên sở nghiên cứu đặc tính vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro bay đất sét dựa công nghệ geopolymer điều kiện nhiệt độ mơi trường bình thường điều kiện phịng thí nghiệm ngồi trường, kết hợp với phân tích tính tốn tốn cụ thể gia cố cơng trình ngầm, rút số kết luận sau: - Bơm hút chân không - Cột đá dăm, cọc cát - Giải pháp xử lý đất yếu trụ đất gia cố xi măng; - Sử dụng hệ cọc đóng vào lớp đất yếu; 1.2 1.2.1 Những nghiên cứu geopolymer tổng hợp từ tro bay đất sét sử dụng để làm đắp gia cố Khái quát phát triển vật liệu geopolymer Vật liệu geopolymer loại vật liệu không sử dụng chất kết dính xi măng pooc lăng thơng thường mà sản phẩm phản ứng dung dịch kiềm loại vật liệu có chứa hàm lượng lớn hợp chất silic nhôm Nền đất yếu gia cố cách hiệu cách thay đổi cấu trúc đất yếu dựa theo công nghệ geopolymer: trộn đất sét yếu với tro bay dung dịch hoạt hóa kiềm, dưỡng hộ điều kiện nhiệt độ thường (xung quanh 280C), cường độ hỗn hợp tăng dần theo thời gian gần đạt giá trị lớn sau 28 ngày Cấp phối hợp lý dựa theo kết thí nghiệm phịng: hàm lượng tro bay sử dụng khoảng 40%, tỷ lệ dung dịch chất hoạt hóa chiếm 40% khối lượng chất rắn nồng độ dung dịch NaOH 10 mol/l Cường độ chịu nén nở hông đất gia cố theo công nghệ geoplymer ứng với cấp phối đạt phịng thí nghiệm qu= 48,1 daN/cm2 Mô đun đàn hồi đạt E =3209 daN/cm2 = 320,9MPa 23 Nhận xét: Sau thay phần đất lấp rộng 1,5m dọc theo chiều cao tường hầm vật liệu geopolymer kết đạt sau: Chuyển vị ngang lớn đỉnh tường hầm giảm từ giá trị 113,51mm giá trị 8,99mm, tương ứng 1163%; Mô men lớn hầm giảm từ giá trị 271,34 kNm/m giá trị 115,19 kNm/m, tương ứng 135,6% 1.2.2 Những nghiên cứu geopolymer tổng hợp từ đất sét tro bay Nuno Cristelo cộng (2011) [11] tiến hành nghiên cứu sử dụng tro bay dung dịch hoạt hóa kiềm để gia cố đất yếu Kết luận đưa việc gia cố đất hỗn hợp vữa geopolymer từ tro bay dung dịch hoạt hóa kiềm thơng qua phương pháp khoan có tiềm ứng dụng lớn Rõ ràng, việc thay phần đất lấp sau lưng tường hầm có hiệu tốt việc giảm nội lực chuyển vị hầm Ngoài ra, vật liệu geopolymer chống thấm tốt, ngăn chặn nguy xói ngầm đất xung quanh cơng trình ngầm Sử dụng phương pháp giải tích đánh giá việc ứng dụng vật liệu geopolymer xây dựng cơng trình ngầm Mơ men chân tường (kN.m) Sử dụng toán khảo sát hầm dẫn giao thông đường nêu trên, tiến hành khảo sát với bề rộng khối geopolymer khác nhau: 0m; 1m; 1,5m 2m Dựa vào phương pháp giải tích để tính tốn, phân tích đánh giá ảnh hưởng khối vật liệu sau lưng tường hầm dẫn đến áp lực đất tác dụng lên tường nội lực tương ứng Kết tính tốn thể bảng đồ thị sau: 140.00 120.00 Hình 1.1: Cột geopolymer tạo cách khoan vữa geopolymer đất [11] 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.5 1.5 2.5 Chiều rộng lớp geopolymer (m) Jian He (2012)[12] tiến hành nghiên cứu đặc trưng geopolymer tổng hợp từ bùn đỏ tro bay; bùn đỏ, tro bay metakaolin dưỡng hộ điều kiện nhiệt độ môi trường tự nhiên Kết cho thấy tính chất học geopolymers chịu ảnh hưởng thời gian dưỡng hộ, tỷ lệ bùn đỏ/tro bay, hàm lượng chất độn cát thêm vào 4.6 Kết luận Noor Ul Amin cộng (2014) [14], tiến hành nghiên cứu chất kết dính thay xi măng Portland cách tổng hợp geopolymer từ đất sét kaoninite Pakistan với dung dịch NaOH Các tham số khác ảnh hưởng đến cường độ geopolymer nghiên cứu tối ưu hóa Kết nghiên cứu cho thấy hỗn hợp bảo dưỡng nhiệt độ 800C 48 giờ, đạt cường độ chịu nén 45MPa Đối với việc ứng dụng geopolymer tổng hợp từ đất sét tro bay cho cơng trình đắp đường bộ: thích hợp cho loại đường giao thông cấp V P Sargent (2015)[15] tiến hành nghiên cứu xử lý đất bùn cát yếu Lanton, Vương quốc Anh, để làm đường sắt cao tốc 22 Hình 4.34: Ảnh hưởng chiều rộng khối geopolymer đến mô men tường hầm dẫn theo phương pháp giải tích Sara Rios cộng (2017)[16]: Nghiên cứu đề cập đến số lựa chọn để cải thiện động lực học phản ứng chất kết dính tro bay canxi thấp hoạt hóa kiềm để ổn định đất đường Nhận xét: Việc sử dụng cột geopolymer tổng hợp từ đất yếu tro bay góp phần giảm mạnh độ lún chuyển vị ngang đắp đất yếu Manuela Corrêa-Silva cộng (2018)[19] tiến hành nghiên cứu cải tạo đất sét tro bay canxi hoạt tính thấp theo cơng nghệ geopolymer để ứng dụng cơng trình hạ tầng giao thơng Chuyển vị ngang chân taluy mái giảm 18÷22 lần so với không gia cố Hayder H Abdullah cộng (2018)[20], nghiên cứu tập trung vào việc gia cường đất sét cao lanh nhiệt độ môi trường bình thường cách sử dụng geopolymer dựa tro bay kết hợp với xỉ lò cao Trịnh Sơn Hoàng, Bùi Thị Quỳnh Anh (2018) [21] Trong nghiên cứu này, đất yếu trộn với chất kết dính geopolymer từ tro bay để cải thiện cường độ Suraj D Khadka cộng (2018)[22]: Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng geopolymer tổng hợp từ tro bay (FA) metakaolin để gia cường đất sét có tính dẻo cao 1.3 1.3.1 Nhận xét nghiên cứu trước, đề xuất hướng nghiên cứu đề tài luận án Nhận xét kết nghiên cứu công bố Hầu hết nghiên cứu tập trung vào yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén geopolymer Dựa vào quy trình ứng dụng để sản xuất gạch không nung với quy mô lớn Độ lún tim đắp giảm khoảng 11 ÷15 lần so với không gia cố; Như vậy, việc sử dụng phương pháp gia cố cột geopolymer hiệu nhiều so với sử dụng đệm geopolymer chiều dày lớp đất yếu lớn Sử dụng phương pháp giải tích phương pháp phần tử hữu hạn đánh giá việc ứng dụng vật liệu geopolymer xây dựng cơng trình ngầm Để tiến hành đánh giá ảnh hưởng việc sử dụng vật liệu geopolymer xây dựng cơng trình ngầm, tiến hành khảo sát việc thay phần đất lấp hai bên tường hầm vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất sét tro bay với đặc tính theo kết thí nghiệm trình bày trên, đến kết nội lực, chuyển vị hầm Cơng trình thực tế tiến hành khảo sát cơng trình hầm đường nút giao Mỹ Thủy, quận 2, thành phố Hồ Chí Minh [56] Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn đánh giá việc ứng dụng vật liệu geopolymer xây dựng cơng trình ngầm Mơ men hầm: Đã có nghiên cứu vật liệu geopolymer tổng hợp từ bùn đỏ tro bay, bùn đỏ mê ta cao lanh, bùn đỏ, tro trấu đề xuất ứng dụng loại vật liệu cơng trình hạ tầng kỹ thuật Một số nghiên cứu tổng hợp geopolymer từ tro bay ứng dụng kỹ thuật khoan geopolymer tạo cọc geopolymer-đất tương tự cọc xi măng đất để gia cố Tuy nhiên, chưa có cơng trình nghiên cứu vấn đề sử dụng đất sét chỗ kết hợp với tro bay để làm đắp, cột geopolymer-đất, gia cố ứng dụng công trình ngầm 1.3.2 Đề xuất hướng nghiên cứu đề tài luận án Trên sở phân tích nghiên cứu thực , nội dung nghiên cứu tập trung đề tài gồm: Hình 4.29: Mơ men hầm dẫn TH2 21 Phân tích đặc điểm, tính chất nguồn vật liệu tro bay, đất sét chủ yếu Việt Nam góc độ nguồn vật liệu chủ yếu để tổng hợp vật liệu geopolymer; Tìm cấp phối phù hợp: tỷ lệ thành phần vật liệu đầu vào bao gồm tro bay, đất sét, dung dịch hoạt hóa kiềm, để geopolymer tổng hợp đạt cường độ cao điều kiện dưỡng hộ nhiệt độ thường, phân tích yếu tố ảnh hưởng đến tính chất học geopolymer; Hình 4.11: Sơ đồ đắp đất yếu Sử dụng phần mềm Plaxis khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp đệm geopolymer đến làm việc đắp dẫn đến nhận xét sau: chiều dày lớp đất yếu không lớn, việc sử dụng đệm vật liệu geopolymer để gia cố đạt hiệu cao Độ lún giảm từ 52% đến 326% tùy theo chiều dày lớp đệm geopolymer từ 1m đến 3m Ảnh hưởng việc sử dụng cột geopolymer đến làm việc đắp: Để đánh giá ảnh hưởng việc gia cố đất yếu cột geopolymer đến làm việc đắp đất yếu, tiến hành tính tốn độ lún tim đắp chuyển vị ngang chân taluy mái cho trường hợp đắp cao 3m; 4m 5m, bố trí cột geopolymer đường kính 1m, dài 18m, lớp đệm geopolymer dày 1m, khoảng cách cột geopolymer 2m, 3m 4m ĐỘ LÚN TẠI TIM NỀN ĐẮP (CM) Kết tính toán thể biểu đồ sau: 30 25 20 15 10 Nền đắp cao 3m Nền đắp cao 4m Nền đắp cao 5m KHOẢNG CÁCH CỘT GEOPOLYMER(M) Đánh giá tiềm ứng dụng vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro bay, đất sét để làm đắp gia cố nền: làm đệm geopolymer cột geopolymer; Đánh giá tiềm ứng dụng vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro bay, đất sét để ứng dụng xây dựng cơng trình ngầm; CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ GEOPOLYMER ĐỂ CẢI THIỆN TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT NỀN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN GIA CỐ NỀN BẰNG ĐỆM VÀ CỘT GEOPOLYMER 2.1 Cơ sở khoa học công nghệ geopolymer 2.1.1 Khái niệm công nghệ geopolymer Geopolymer khái niệm sử dụng để loại vật liệu tổng hợp từ vật liệu có nguồn gốc aluminosilicate 2.1.2 Cấu trúc phân tử geopolymer Theo Palomo cộng [25], sử dụng chất kích hoạt kiềm vật liệu aluminosilicate xảy tỏa nhiệt q trình hịa tan, phân tách liên kết cộng hóa trị Silic - Oxy - Nhơm tạo nên nhiều mạch khơng có hình dạng định Cấu trúc hóa học vơ định hình geopolymer tạo thành từ mạng lưới cấu trúc Alumino - Silico hay gọi Poly - Sialate Công thức thực nghiệm poly sialate [26]: Mn(-(SiO2)z-AlO2)n.wH2O Trong đó: M - Các cation kim loại kiềm hay kiềm thổ n - mức độ polymer hóa z = 1, 2, cao 32 Hình 4.18: Quan hệ độ lún tim đắp với khoảng cách cột geopolymer 20 2.1.3 Cơ chế hóa học cơng nghệ geopolymer Geopolymer tổng hợp cách hòa tan vật liệu aluminosilicat silicat qua giai đoạn Giả thiết đạt trạng thái trượt chủ động, khối geopolymer AA’D’D trượt cố thể trượt theo lý thuyết Coulomb A’D’E Hình 4.9: Sơ đồ tính áp lực đất chủ động áp lực nước lên tường hầm dẫn theo phương pháp giải tích Hình 2.5: Mơ hình q trình hoạt hóa cùa dung dịch kiềm Alkali đổi với tro bay [28] 2.1.4 Q trình đóng rắn Geopolymer Sự tạo thành geopolymer diễn tả hai phản ứng hóa học sau (theo van Jaarsveld cộng năm 1997; Davidovits năm 1999 ) [1]: Khi có khối geopolymer sau tường, phát sinh lực ma sát khối mặt trượt DD’, làm giảm áp lực chủ động tác dụng lên tường hầm dẫn mặt phẳng tính tốn AD Nếu giả sử lực ma sát phân bố theo chiều cao tường hầm dẫn, công thức tính áp lực chủ động đất mở rộng từ công thức Coulomb sau:  = ( 𝑧 + 𝑞) 𝐾 − 𝑐 𝐾 −  (4.28) Trong đó: ms- cường độ lực ma sát phân bố theo chiều cao tường hầm dẫn, kN/m2; 4.5 Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để đánh giá hiệu phương(2.3) pháp gia cố sử dụng vật liệu geopolymer Giai đoạn 1: Hòa tan Si Al từ vật liệu aluminosilicate rắn dung dịch kiềm mạnh Để khảo sát ảnh hưởng vật liệu geopolymer việc ứng dụng làm đệm geopolymer cột geopolymer để gia cố tiến hành mô đắp trước sau gia cố với vật liệu geopolymer với tham số khác Sơ đồ đắp Hình 4.11: Giai đoạn 2: Sự tạo thành monomer Si-Si Si-Al pha lỏng 10 19 4.2 Sử dụng vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất chỗ tro bay để làm lớp đệm geopolymer để gia cố Giai đoạn 3: Quá trình đa trùng ngưng monomer tạo thành khung mạng aluminosilicat chiều Việc tính tốn thiết kế với loại đệm vật liệu geopolymer thực tương tự tính toán thết kế với đệm vật liệu rời Giai đoạn 4: Liên kết hạt rắn vào mạng geopolymer đóng rắn tồn hệ thống cấu trúc polymer rắn cuối 4.3 Sử dụng vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất chỗ tro bay để làm cột geopolymer để gia cố 2.2 Cơ sở khoa học vấn đề cải thiện đặc tính xây dựng đất 2.2.1 Đặc điểm thành phần hóa học đất yếu Việc sử dụng cọc xi măng đất để gia cố sử dụng rộng rãi Với tỷ lệ xi măng/đất thường sử dụng từ 5÷15%, cường độ nén nở hơng cọc xi măng đất qu đạt thời điểm 28 ngày, khoảng 10÷85 daN/cm2,[48] Dựa kết thí nghiệm vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất sét tro bay nhận thấy việc sử dụng loại vật liệu để thay cọc xi măng đất khả thi, đặc biệt khu vực gần nguồn phế thải tro bay Việc sử dụng loại vật liệu thay xi măng có ý nghĩa lớn môi trường phát triển bền vững Công nghệ thi công loại cọc vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất sét tro bay tương tự với cọc xi măng đất Việc tính tốn cột geopolymer thực tương tự tính tốn cọc xi măng đất Đất yếu đất phải xử lý, gia cố làm cơng trình Đất sét yếu khu vực Thành phố Hồ Chí Minh Đồng sông Cửu Long giàu SiO2 Al2O3 Đây nguồn nguyên liệu đầu vào để tổng hợp geopolymer 4.4 Sử dụng vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất chỗ tro bay xây dựng cơng trình ngầm 2.3 Vấn đề tính tốn áp lực đất chủ động tác dụng lên cơng trình hầm đường sử dụng vật liệu geopolymer lấp sau tường: Để giảm áp lực đất lên hầm, qua giảm nội lực hầm, bố trí khối geopolymer sau lưng tường hầm Áp lực đất lên tường hầm trường hợp tính tốn sau: 18 2.2.2 Đặc điểm thành phần hóa học tro bay Lượng tro bay xỉ tạo từ ngành điện sau năm 2020 lớn, gây ô nhiễm môi trường Mặt khác, tro bay giàu SiO2 Al2O3 dạng vơ định hình, nguồn nguyên liệu quý để tổng hợp geopolymer Việc nghiên cứu sử dụng tro bay xỉ cho xây dựng cơng trình nói chung đặc biệt cơng trình giao thơng cấp thiết, góp phần bảo vệ môi trường phát triển bền vững Kết luận chương Dựa sở khoa học trình bày cơng nghệ geopolymer đặc điểm, thành phần hóa học số loại tro bay đất sét Việt Nam, nhận thấy tiềm loại geopolymer tổng hợp từ nguồn nguyên liệu Để ứng dụng loại vật liệu lĩnh vực xây dựng đắp, gia cố nền, cơng trình ngầm, cần tiến hành nghiên cứu thực nghiệm Ngồi thí nghiệm phịng điều kiện tiêu chuẩn, sấy khô, nghiền mịn, trộn đều, dưỡng hộ khơ mơi trường khơng khí, cần tiến hành thực nghiệm trường điều kiện thực tế Việt Nam, dưỡng hộ điều kiện xung quanh đất có độ ẩm cao, nhiệt độ áp suất bình thường Kết nghiên cứu sở để ứng dụng điều kiện thực tế xây dựng đắp, gia cố nền, xây dựng cơng trình ngầm 11 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG VẬT LIỆU GEOPOLYMER TỔNG HỢP TỪ ĐẤT YẾU TẠI CHỖ KẾT HỢP VỚI TRO BAY ĐỂ LÀM VẬT LIỆU ĐẮP VÀ GIA CỐ NỀN 3.1 Nguyên liệu ban đầu để tổng hợp geopolymer 3.1.1 Tro bay Nguồn tro bay sử dụng nghiên cứu lấy từ nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 3.1.2 Đất sét Nguồn đất sét sử dụng nghiên cứu phường Long Phước, quận 9, thành phố Hồ Chí Minh 3.1.3 Dung dịch chất hoạt hóa kiềm Dung dịch hoạt hóa kiềm sử dụng nghiên cứu NaOH có nồng độ 8M; 10M 12M., trộn với dung dịch thủy tinh lỏng Natri Silicat theo tỉ lệ 1:1 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá tính chất geopolymer tổng hợp từ tro bay đất sét 3.2.1 Tiến hành nghiên cứu phòng thí nghiệm Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén Ảnh hưởng nồng độ dung dịch hoạt hóa kiềm đến cường độ chịu nén 60.0 qu ( daN/cm2) 50.0 40.0 ngày 30.0 14 ngày 20.0 28 ngày 10.0 0.0 SF-40-40-8 SF-40-40-10 SF-40-40-12 Hình 3.3: Ảnh hưởng nồng độ dung dịch hoạt hóa kiềm đến cường độ chịu nén hàm lượng tro bay 40% 12 3.3 Kết luận chương Dựa vào kết thí nghiệm tổng hợp geopolymer từ đất sét tro bay tiến hành phịng thí nghiệm ngồi trường đưa số kết luận sau: Cường độ chịu nén nở hông lớn đạt phịng thí nghiệm qu= 48,1 daN/cm2 ứng với hàm lượng tro bay sử dụng 40% , tỷ lệ dung dịch chất hoạt hóa chiếm 40% khối lượng chất rắn nồng độ dung dịch NaOH 10 mol/l Mô đun đàn hồi đạt E =3209 daN/cm2 Cường độ nén nở hơng đạt ngồi trường qu= 34,7 daN/cm2, ứng với hàm lượng tro bay sử dụng 40%, tỷ lệ dung dịch chất hoạt hóa chiếm 40% khối lượng chất rắn nồng độ dung dịch NaOH 10 mol/l Giá trị cường độ nén lớn thu lớn gấp 151 lần cường độ chịu nén ban đầu đất chưa xử lý Mơ đun đàn hồi lớn đạt E = 1663,5 daN/cm2 = 166,3 MPa (trong điều kiện lấy mẫu trường dưỡng hộ khô) Khi sử dụng phương tiện thi cơng sẵn có để đào đất, trộn bê tông để thi công hỗn hợp geopolymer từ đất yếu chỗ, tro bay Việt Nam, dưỡng hộ điều kiện tự nhiên với đất xung quanh có độ ẩm cao, mơ đun đàn hồi vật liệu geopolymer đạt E = 637 daN/cm2 Với kết thực nghiệm trường đạt được, khẳng định việc sử dụng đất yếu chỗ kết hợp với tro bay Việt Nam theo cơng nghệ geopolymer ứng dụng tốt thực tiễn để gia cố nền, dùng làm vật liệu đắp đường, với phương tiện thiết bị thi cơng sẵn có cơng trường CHƯƠNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU GEOPOLYMER TRONG LĨNH VỰC ĐỊA KỸ THUẬT VÀ VẤN ĐỀ PHÂN TÍCH TÍNH TỐN 4.1 Sử dụng vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất chỗ tro bay để làm vật liệu đắp đường Tổng hợp yêu cầu kỹ thuật đắp [46], tùy thuộc vào cấp thiết kế đường, loại kết cấu áo đường, vật liệu geopolymer ứng dụng để làm tầng mặt đường giao thơng nơng thơn; tầng móng cho loại đường; lớp đáy móng Việc tính tốn thiết kế kết cấu áo đường có sử dụng lớp vật liệu geopolymer nêu thực tương tự tính tốn với lớp kết cấu áo đường làm vật liệu hạt có gia cố chất vô 17 Ảnh hưởng hàm lượng tro bay thời gian dưỡng hộ đến cường độ chịu nén Hầu hết mẫu thí nghiệm, giá trị mơ đun đàn hồi E ≥500 daN/cm , sau ngày dưỡng hộ, thỏa mãn yêu cầu làm lớp đáy móng đường theo tiêu chuẩn Sau khoảng thời gian 14 ngày đến 28 ngày, giá trị mô đun đàn hồi lớp vật liệu geopolymer lớn đạt 1663,5 daN/cm2, gấp 146 lần mô đun biến dạng ban đầu (E = 11,4 daN/cm2) đủ lớn để làm cấu tạo hầu hết phận đường ô tô Như vậy, việc sử dụng geopolymer tổng hợp từ đất sét tro bay để làm lớp đệm địa kỹ thuật làm đường giao thơng có tiềm lớn Ghi chú: Ký hiệu mẫu SF-40-40-10 nghĩa mẫu gồm hỗn hợp đất tro bay, tỷ lệ khối lượng tro bay/khối lượng đất 40% , tỷ lệ khối lượng dung dịch hoạt hóa/khối lượng chất rắn 40%, nồng độ dung dịch hoạt hóa 10 mol/l Tương tự cho mẫu khác Ảnh hưởng hàm lượng tro bay thời gian dưỡng hộ đến cường độ chịu nén 50.0 40.0 Kết thí nghiệm bàn nén trường thực với điểm, điểm cách 60cm Kết cụ thể sau: Điểm 1: Kết thí nghiệm thể đồ thị sau: 1.6 Đường hiệu chỉnh ngày 30.0 14 ngày 20.0 28 ngày 10.0 0.0 1.4 SF-0-40-8 1.2 y = 0.391x - 0.2231 R² = 0.984 0.8 0.6 0.2 Áp lực (daN/cm2) Hình 3.21: Biểu đồ quan hệ áp lực nén – độ võng đàn hồi (điểm đo1) Từ tính mơ đun đàn hồi tính theo cơng thức: 50.0 40.0 ngày 30.0 14 ngày 20.0 28 ngày 10.0 0.0 SF-0-40-10  p.D.(1   ) E  1000 (3.1) l E = 621,44 daN/cm2 SF-40-40-8 60.0 0.4 SF-20-40-8 Hình 3.4: Ảnh hưởng hàm lượng tro bay thời gian dưỡng hộ đến cường độ chịu nén nồng độ dung dịch hoạt hóa kiềm mol/l qu ( daN/cm2) Độ võng đàn hồi (mm) 1.8 qu ( daN/cm2) Kết thí nghiệm bàn nén trường SF-20-40-10 SF-40-40-10 Hình 3.5: Ảnh hưởng hàm lượng tro bay thời gian dưỡng hộ đến cường độ chịu nén nồng độ dung dịch hoạt hóa kiềm 10 mol/l Quan hệ cường độ chịu nén trọng lượng đơn vị thể tích vật liệu geopolymer Kết thí nghiệm phịng thể đồ thị hình 3.7: 16 13 3500.0 3000.0 2500.0 E(daN/cm2) Cường độ nén qu (daN/cm2) Ảnh hưởng hàm lượng tro bay thời gian dưỡng hộ đến mô đun đàn hồi 40 35 30 25 20 15 10 ngày 14 ngày 28 ngày 2000.0 1500.0 16 16.4 17.10 18.50 19.60 1000.0 Dung trọng (kN/m3) 500.0 0.0 Hình 3.7: Quan hệ cường độ chịu nén dung trọng geopolymer Các yếu tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi Ảnh hưởng nồng độ dung dịch hoạt hóa kiềm đến mơ đun đàn hồi 3500.0 3000.0 E(daN/cm2) 2500.0 2000.0 SF-0-40-10 SF-20-40-10 SF-40-40-10 Hình 3.11: Ảnh hưởng hàm lượng tro bay thới gian dưỡng hộ đến mô đun đàn hồi nồng độ dung dịch 10mol/l 3.2.2 Tiến hành nghiên cứu trường Nguyên liệu đầu vào sử dụng để tổng hợp geopolymer bao gồm: tro bay lấy từ nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2, Đất sử dụng thí nghiệm thuộc lớp đất MH, trạng thái dẻo chảy Kích thước khối đất hình hộp chữ nhật thí nghiệm tổng hợp geopolymer : Chiều dài x Chiều rộng x Chiều cao = 2m x 1m x 1,2m ngày 14 ngày 1500.0 28 ngày 1000.0 500.0 0.0 SF-40-40-8 SF-40-40-10 SF-40-40-12 Hình 3.10: Ảnh hưởng nồng độ dung dịch hoạt hóa kiềm đến mơ đun đàn hồi hàm lượng tro bay 40% Hình 3.12: Mặt vị trí thi cơng lớp đệm geopolymer trường 14 15 ... Những đóng góp luận án Lần nghiên cứu gia cố đất sét yếu Việt Nam công nghệ geopolymer dựa tro bay Vĩnh Tân để gia cường cấu trúc đất dẫn đến tăng cường độ chịu nén đất yếu lên hàng trăm lần (151... BAY VÀ ĐẤT SÉT 1.1 1.1.1 Tổng quan đất yếu giải pháp gia cố Mục tiêu công nghệ xử lý đất yếu Tùy theo chiều dày lớp đất yếu vị trí phân bố lớp đất yếu, cần có giải pháp xử lý lớp đất yếu trước... trường) Với tiêu lý đạt đất yếu sau gia cố, đáp ứng tốt yêu cầu để làm đắp gia cố Đã xây dựng sở khoa học làm tảng nghiên cứu công nghệ geopolymer áp dụng công nghệ vào xử lý đất yếu; Đã sử dụng phương