1.2.3.1 Chất gia cố
Mỗi loại đất khác nhau cần một lượng chất gia cố khác nhau và cần được tối ưu cho từng loại đất riêng biệt. Điều này được thực hiện trên mẫu trộn trong phòng thí nghiệm và cột thử tại hiện trường. Thông thường chất gia cố là vôi, ximăng, xỉ quặng.
Vôi
Vôi được sử dụng làm chất gia cố phải đạt các yêu cầu sau: Vôi sống
Cỡ hạt từ: 0.0Æ0.2mm. Hàm lượng CaO: >80%.
Tốc độ chảy: >70.
Ximăng
Ximăng được sử dụng làm chất gia cố phải đảm bảo các yêu cầu sau: Ximăng Porland chuẩn.
Cỡ hạt từ: 0.0Æ0.2mm.
Tốc độ chảy: >40%. Tốc độ chảy là đại lượng biểu thị tính lưu lượng của hạt trong ống dẫn và vòi.
Xỉ quặng
Khi gia cốđất bằng cọc vôi hay ximăng, việc sử dụng các loại phụ gia hóa chất hoặc các nguyên liệu khác phối hợp cùng với vôi hoặc ximăng để tăng cường những
đặc tính cần thiết của đất gia cố vôi, đất gia cố ximăng và mở rộng phạm vi ứng dụng của nó là rất phổ biến của nhiều nước trên thế giới, thông thường là thủy nhiệt điện.
1.2.3.2 Các phản ứng hóa học
Phản ứng ximăng hóa (phản ứng Pozzolanic).
Ở trong đất luôn luôn có một hàm lượng nhất định Si2O (Ôxít Silic) và Al2O3
(Alumin hoạt tính). Chúng dễ dàng phản ứng với Ca(OH)2.
Các sản phẩm tạo thành khi ximăng Porland tác dụng với nước trong đất bao gồm:
Hydro Silicat Canxit ở 2 dạng: CHS và C2SH2. Hydro Aluminat Canxit 3: CaOAl2O3.6H2O.
Hydro ferat Aluminat canxit 3: CaOAl2O3. 3CaSO4.31H2O. Hydroxit Canxi: Ca (OH)2.
Theo nghiên cứu P.A Rebinder cho rằng: Sự hình thành nên cường độ của ximăng đông cứng chia làm 2 giai đoạn:
Giai đoạn thứ nhất bắt đầu từ chuyển dịch của ion tinh thể các khoáng vật trong ximăng khi chúng tác dụng với môi trường nước và hydrat chúng trong môi trường này. Tiếp theo là sự kết tinh hóa của khoáng vật mới, ổn định vừa tách ra từ dung dịch bão hòa của những sản phẩm hydrat nói trên. Đây chính là mầm kết tinh, là yếu tố để
hình thành một pha mới. Trong giai đoạn đầu tiên của quá trình đông cứng từ những hạt nguyên sinh của chất kết dính và những mầm kết tinh nảy sinh cấu trúc ngưng tụ. Cấu trúc ngưng tụ là một mạng không gian được tạo nên bằng con đường kết dính chưa có một mạng nhất định từ những hạt nhỏ nhất của pha rắn phân tán trong môi trường phân tán. Trong cấu trúc ngưng tụ, lực dính kết là lực hóa học và lực phân tử, do cấu trúc này cố độ bền yếu và có tính xúc biến. Do vậy, hỗn hợp giữa ximăng và đất được cải tạo có cường độ chưa đáng kể.
Ở giai đoạn thứ 2 tiếp theo, sựđông cứng tạo nên cấu trúc kết tinh, cấu trúc này có độ bền cao gấp 10 lần, 100 lần so với cấu trúc ngưng tụ. Sự phát triển cấu trúc kết tinh xảy ra qua 2 thời kì:
Đầu tiên là xuất hiện khung cấu trúc kết tinh cùng với sự phát triển mối tiếp xúc cộng sinh giữa các tinh thể của những thành phần tạo mới được hình thành.
Tiếp theo quá trình tạo khung là quá trình ghép các khung vừa được hình thành, tạo nên mối liên kết cấu trúc kết tinh có cường độ cao, không có tính chất xúc biến, từ đó tạo nên cường độ của ximăng đông cứng.
Nhiều công trình nghiên cứu đã được công bố khẳng định rằng: CSH (Hydro Silicat Canxit) đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành độ bền của ximăng đông cứng, là yếu tố tạo nên khung tinh thể. Chính những tinh thể CSH (Hydro Silicat Canxit) hình thành nên những tinh thể riêng biệt bằng cách trùng hợp tạo nên các cao phân tử (Hidrosilicat polime - Canxi), chúng được nối liền với mối liên kết tĩnh điện bền vững có kểđến vai trò của các cation cũng như mối liên kết tĩnh điện trùng hợp với
những cao phân tử CHS tạo nên các tinh thể có kích thước tới 1mm. Một số công trình khoa học đã nhận xét rằng: Bên cạnh CSH , Hydrôxít không chỉ là yếu tố tạo môi trường thủy phân hợp chất clinke mà là một trong những yếu tố tham gia cấu trúc của khung kết tinh trong ximăng đông cứng. Ngoài ra, sự tách ra trong pha rắn một khối lượng đáng kể Hydrosunfat Aluminat Canxit và Hydro Aluminat Canxit đã góp phần tạo nên cấu tạo cấu trúc ngưng tụ và gây nên sựđông cứng của ximăng.
Theo A.A. Baicốp, quá trình nhào trộn ximăng có thể chia làm ba giai đoạn
Giai đoạn hòa tan
Khi nhào trộn ximăng với đất giữa chúng sẽ xảy ra các tác dụng vật lý và hóa học. Đầu tiên cùng với sự phân bố trên bề mặt hạt ximăng, các quá trình hòa tan các khoáng và thủy hóa được bắt đầu, trước hết các khoáng hoạt tính cao nhất thủy hóa như: C3A, C3S và do sự hòa tan của chúng nhỏ, sự bão hòa pha lỏng với các sản phẩm thủy hóa bắt đầu. Giai đoạn này tương đối ngắn của quá trình rắn chắc.
Giai đoạn hóa keo
Thời kì này tương đối tiến triển mạnh mẽ. Quá trình cơ bản của thủy hóa các khoáng clinke là sự hòa hợp trực tiếp của nước và pha rắn không có sự hòa tan trung tạo nên những hợp chất hydrat mới có tính ổn định cao hơn khoáng tạo nên nó và do tác dụng tương hỗ với nước, các sản phẩm hóa có độ mịn khá lớn và gần như dạng keo. Do đó A.A Baicốp gọi giai đoạn này là giai đoạn hóa keo. Các sản phẩm thủy hóa (và một phần thủy phân) cơ bản của các khoáng ximăng là hydro silicat canxi với số lượng chiếm từ 75% - 80% khối lượng clinke. Các chất này trong giai đoạn đầu có độ phân tán cao gần với thể keo (trong phạm vi từ 5-20, có khi lênh tới 100-200 Micro) dần dần chuyển hóa thành gen và cũng tạo mầm kết tinh. Ngoài các hydro silicat canxit, do kết quả thủy phân của khoáng còn tạo nên nhóm thứ hai là các hydrat mới tạo thành các cấu trúc có tinh thể thô hơn, khác với tinh thể gen đó là hydrat của ôxít canxi [Ca(OH)2] tạo ra khi thủy phân C3S hydro aluminat canxi 3CaO.Al2O3. 6H2O (sản
phẩm thủy phân của C4AF) cũng như Hydro sunfua Aluminat canxi 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O tạo nên do thêm chất phụ gia vào ximăng.
Trong giai đoạn này một phần nước tự do sẽ liên kết thành nước hóa học làm giảm thể tích tuyệt đối sản phẩm mới tạo thành so với thể tích tuyệt đối của các thành phần ban đầu. Nhưng do thể tích ngoài của đá ximăng không đổi dẫn đến hình thành những lỗ rỗng kín, nâng cao độ đặc chắc trong pha rắn.
Giai đoạn kết tinh
Cùng với sự phát triển của quá trình thủy hóa và sự tăng lên của sản phẩm thủy hóa lượng nước tự do trong hệ không ngừng giảm xuống, nước còn lại được phân bố
lại trong hệ xuất hiện những dạng liên kết phức tạp của nước với pha rắn. Do sự giảm lượng nước tự do, hệ dần dần sệt lại cho đến khi mất hoàn toàn tính linh động. Thời kì này gọi là thời kì ninh kết, là thời kì quan trọng của quá trính hình thành cấu trúc đá ximăng. Kết cấu keo tụ được hình thành trong thời gian này có đặc tính là có một cường độ dẻo nào đó khác với cường độ cơ học ở chỗ có khả năng phục hồi xúc biến (hóa lỏng và phục hồi kết cấu). Sau đó là thời kỳ rắn chắc tương đối dài với sự phát triển không ngừng cường độ cơ học do cấu trúc đá ximăng không ngừng được lèn chặt và quá trình kết tinh phát triển. Tác dụng lèn chặt này sinh ra do sự phát triển của quá trình thủy hóa và sự tăng thể tích của pha rắn (thể tích các hydrat luôn luôn lớn hơn thể
tích pha rắn ban đầu). Sự phát triển của tinh thể do hiện tượng tái kết tinh làm thay đổi trạng thái tiếp xúc trong nội bộ đá ximăng, từ chỗ tiếp xúc giữa các màng nước biến thành tiếp xúc tinh thể.
Khi quan sát dưới kính hiển vi điện tử cho thấy, thành phần của ximăng đông cứng bao gồm những tinh thể, những hạt keo và vi tinh thể, những hợp chất hydrat tàn dư của ximăng, không khí và nước tự do.
Quá trình đông rắn của ximăng và tạo thành cấu trúc mới trong hỗn hợp đất và ximăng xảy ra phức tạp hơn nhiều so với trong bêtông hay hỗn hợp ximăng với nước.Và đặc biệt là trong đất có độ phân tán cao, vì trong trường hợp này ngoài các
quá trình thủy phân và đông rắn của ximăng như trên, còn xảy ra các tương tác hóa học giữa đất với các sản phẩm của ximăng. Bề mặt rất lớn của đất với ximăng, đồng thời môi trường kiềm mạnh do ximăng bị thủy phân sinh ra, là những điều kiện thuận lợi cho các phản ứng trao đổi hóa học và hóa lý xảy ra một cách mạnh mẽ. Đất sẽ hấp thụ
lượng ion Ca2+đáng kể làm phá vỡ quá trình đông rắn bình thường của ximăng. Do đó quá trình đông rắn xảy ra trong hỗn hợp đất và ximăng chậm hơn và cường độ thấp hơn so với hỗn hợp bêtông hay hỗn hợp ximăng - nước.
Những phân tích trên đã cho thấy, các loại đất gia cố ximăng khác nhau đều thấy nồng độ Ca2+ thấp hơn nồng độ bão hòa. Và điều kiện xấu nhất đối với quá trình đông rắn của ximăng trong hỗn hợp đất – ximăng là nồng độ của ion Ca2+ nhỏ hơn 2mol/l trong suốt một thời gian. Ở điều kiện này, khả năng thành tạo cấu trúc tinh thể và sự
phát triển của nó thành bộ xương vững chắc trong hỗn hợp đất ximăng giảm xuống rất mạnh, dẫn đến giảm tính chất đặc trưng cho độ bền của nó. Những điều kiện bất lợi như vậy gặp phải khi gia cố ximăng cho các loại đất sét pha nặng, đất sét và đặc biệt là các loại đất có mùn, hữu cơ và các loại đất có độ pH <6.
Tóm lại, theo Bezruk và nhiều người khác cho thấy, những yếu tố đặc trưng của
đất có ảnh hưởng mạnh đến tính chất của đất –ximăng: thành phần khoáng hóa, bản chất hóa keo (dung lượng trao đổi, thành phần ion bị hấp thụ), hàm lượng của các chất mùn hữu cơ, hàm lượng của các chất muối dễ hòa tan, hàm lượng các cacbonat canxi và thạch cao.
Để trừ bỏ hoặc giảm bớt những quá trình có hại đến quá trình đông rắn và tạo thành cấu trúc mới trong hỗn hợp đất – ximăng, người ta thường sử dụng một số phụ
gia hóa học, hóa lý phối hợp cùng với ximăng. Chúng có những tác dụng chủ yếu sau: Tăng cường và rút ngắn quá trình tạo thành cấu trúc mới của hỗn hợp đất – ximăng, đảm bảo cho nó có cường độ và bền lâu.
Cho phép có thể tiến hành gia cố ximăng mang lại hiệu quả cho các loại đất không thuận lợi hoặc ít thuận lợi khi tiến hành chỉ riêng đối với ximăng.
Các loại phụ gia thường dùng là các chất kiềm CaCl2, NaCl, NaOH, thạch cao (CaSO4.nH2O) và hàng loạt các chất hoạt động bề mặt như: Polycrylamid, Abiotyl, xà phòng Naptalic…
1.2.3.3 Quá trình nén chặt cơ học
Gia cố nền bằng cọc ximăng - đất là dùng thiết bị chuyên dụng đểđưa một lượng vật liệu vào nền đất dưới dạng cọc hỗn hợp ximăng - đất. Lượng vật liệu ximăng – đất sẽ chiếm chỗ các lỗ rỗng trong đất làm cho lỗ rỗng trong đất giảm đi do các hạt được sắp xếp lại kết quả là đất nền được nén chặt lại. Xét một khối đất có thể tích ban đầu V0, thể tích hạt rắn Vh0, thể tích lỗ rỗng ban đầu Vro, ta có r0 h0 0 V V V = + (1) Sau khi gia cố thể khối đất sẽ là V, thế tích hạt rắn Vh, thể tích lỗ rỗng Vr:
r V V V = h + (2) Như vậy sự thay đổi thể tích của đất sẽ là : ) V (V ) V (V V V ΔV= 0 − = h0 + r0 − h + r (3) Thể tích các hạt rắn coi như không đổi trong quá trình gia cố, nghĩa là Vh0=Vh, do đó
r r0 V V
ΔV= − hay ΔV=ΔVr (4) Biểu thức (4) cho thấy: sự thay đổi thể tích khối đất khi gia cố chính là sự thay
đổi thể tích lỗ rỗng trong đất.
Như vậy, khi gia cố nền bằng cọc ximăng - đất thì quá trình nén chặt sẽ xảy ra tức thời. Hiệu quả nén chặt phụ thuộc vào thể tích vật liệu đưa vào nền, nghĩa là phụ
thuộc vào số lượng, đường kính cũng như khoảng cách giữa các cọc, hình dạng bố trí cọc. Việc xác định đường kính cọc, khoảng cách giữa các cọc, sơ đồ bố trí cọc hoàn toàn có thể xác định nhưđối với cọc cát. Còn chiều sâu gia cố phụ thuộc vào chiều sâu vùng hoạt động nén ép dưới đáy móng công trình, nghĩa là tại độ sâu mà ởđó thỏa mãn một trong các điều kiện sau đây:
Ứng suất nén ép (σz) nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 ứng suất bản thân (σbt) của đất.
Ứng suất nén ép (σz) nhỏ hơn hoặc bằng áp lực bắt đầu cố kết thấm của đất.
Ứng suất nén ép (σz) ≤20−30kPa
Việc kiểm tra đánh giá định lượng tác dụng nén chặt đất khi gia cố nền bằng cọc ximăng - đất có thể thực hiện được bằng nhiều phương pháp như: khoan lấy mẫu trong phạm vi giữa các cọc để xác định hệ số rỗng cũng như khối lượng thể tích của khối đất sau khi gia cố hoặc dùng thí nghiệm xuyên tĩnh hay nén tĩnh nền.
1.2.3.4 Quá trình cố kết thấm
Ngoài tác dụng nén chặt cọc ximăng - đất còn có tác dụng làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền.
Khi trộn chất ổn định vào đất (dạng ximăng - đất) với đất có 3 phản ứng chính xảy ra như sau:
Khử nước. Trao đổi ion.
Keo hóa.
Cường độ của đất sau khi trộn sẽ tăng lên từ từ và chủ yếu phụ thuộc vào phản
ứng keo hóa.
Do cọc ximăng – đất được đưa vào đất nền dưới dạng khô nên hỗn hợp ximăng sẽ hút nước trong đất nền để tạo ra vữa ximăng, sau đó biến thành đá ximăng. Quá trình tạo vữa ximăng làm mất một lượng lớn nước trong lỗ hổng của đất, nghĩa là làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền.
Quá trình này xảy ra ngay sau khi bắt đầu gia cố và kéo dài cho đến khi đất nền
được gia cố xong, toàn bộ cọc ximăng - đất trở thành một loại bêtông. Đây là quá trình biến đổi lý hóa phức tạp chia làm hai thời kì: thời kì ninh kết và thời kì rắn chắc.
Mặt khác nếu tỉ lệ pha trộn giữa ximăng, cát và vôi cũng như thành phần hạt của các hợp lý của cọc ximăng – đất sau khi đông cứng có thể cho thoát nước qua và làm việc tương tự như một giếng thu nước thẳng đứng, giống như cọc cát. Dưới tác dụng
của tải trọng ngoài, cùng với thời gian, ứng suất hữu hiệu tăng lên, ứng suất trung bình giảm đi, nước trong lỗ rỗng của đất sẽ thấm qua phương ngang vào cọc rồi sau đó thoát nước ra ngoài dọc theo chiều dài cọc.
Bài toán cố kết thấm của nền đất khi gia cố bằng cọc ximăng - đất cũng giống như bài toán cố kết thấm của nền khi dùng cọc cát và đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Năm 1935, L.Rendulic đã đưa ra phương trình vi phân cố kết đối xứng để
xác định trị số áp lực nước lỗ rỗng trong nền và năm 1942, N.Carrillo đã phân bài toán cố kết thấm 3 chiều thành tổng hợp của bài toán cố kết thấm theo chiều thẳng đứng và theo hướng xuyên tâm. K.Terzaghi đã dùng phương pháp giải tích để giải bài toán cố
kết thấm theo chiều thẳng đứng, còn R.E.Glover, R.A.Barron đã giải bài toán cố kết thấm theo hướng xuyên tâm. Năm 1948, R.A.Barron đã đưa ra lời giải toàn diện đầu tiên cho bài toán cố kết của trụđất có chứa một cọc cát (ximăng – đất) ở giữa.
Khi chiều dài đường thấm theo phương ngang sẽ nhỏ hơn nhiều lần chiều dài
đường thấm theo phương đứng, do đó có thể coi vai trò thoát nước theo phương ngang của cọc ximăng –đất là chủ yếu. Tuy vậy, trong tính toán quá trình cố kết của nền đất gia cố vẫn thường xác định độ cố kết toàn phần (kết quả tổng hợp của quá trình thoát nước theo phương ngang và theo phương đứng) bằng định đề Carrillo:
)