CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CẤU TẠO, PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG VÀ ỨNG DỤNG CỌC VÔI- XIMĂNG- ĐẤT ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CHO CÔNG TRÌNH NHÀ TỪ 3 ĐẾN 6 TẦNG
3.2. Tổng quan về cột đất- vôi-ximăng
3.2.1. Tổng quan đất gia cố vôi
Theo kết quả nghiên cứu của Bergado (1996) .
- Cường độ của đất sét xử lý bằng vôi đạt được chủ yếu thông qua ba phản ứng sau ủaõy :
§ Phản ứng rút nước của đất (dehydration)
§ Phản ứng trao đổi ion.
§ +Phản ứng pozzonlanic.
- Những cơ chế khác như phản ứng carbonat (carbonation) tạo nên sự gia tăng không đáng kể về cường độ nên có thể bỏ qua không xét đến
- Những phản ứng ngắn hạn bao gồm : phản ứng hydrat hoá – hydration (đối với vôi sống) và phản ứng keo tụ – flocculation (trao đổi ion).
- Những phản ứng dài hạn là phản ứng xi măng hoá (kết dính ) và phản ứng carbonat (carbonation ).
- Tác nhân làm ổn định tự nhiên cho đất dính là calcium hydroxide, vôi hydrat, vôi tôi. Bản thân calcium hydroxide không phải là một chất kết dính, nhưng chính nó sẽ tạo ra một chất kết dính (bao gồm chủ yếu là calcium silicate hydrat) bằng phản ứng hoá học xảy ra chậm chủ yếu với silicate trong khoáng vật sét của đất dính (Assarson, 1974) .
- Khi vôi sống trộn với đất sét, một lượng nhiệt rất lớn sẽ toả ra . Điều này là do sự hydrat hoá của vôi sống xảy ra với nước trong lỗ rỗng của đất . Nhịêt độ có thể gia tăng rất cao đến mức nước trong lỗ rỗng bắt đầu sôi lên (Brom, 1984).
Sự sụt giảm tức khắc lượng nước xảy ra khi vôi sống được trộn với đất dính bởi vì nước bị tiêu tán qua quá trình hudrat hoá . Tác động làm khô này có hiệu quả đặc biệt khi việc xử lý đất sét có độ ẩm cao .
- Khi vôi trộn với đất sét, NaOH và các cation khác hâp thụ vào các bề mặt của khoáng vật sét phản ứng trao đổi với calci, khi đó sự biến đổi cấu trúc của đất bắt đầu , thể hiện bằng sự keo tụ và đông đặc của các phần tử đất thành những khối hoặc hạt có kích thước lớn hơn và sự gia tăng đồng thời về giới hạn dẻo (plastic limit). Vôi làm cho đất sét đông đặc, kết khối hoặc keo tụ. Độ dẻo của đất sét (đo lường bằng chỉ tiêu giới hạn Atterberg ) giảm khiến đất dễ sử dụng hơn và có gia tăng đáng kể về cường độ và độ cứng.
- Sức chống cắt của đất gia cố, tăng dần theo thời gian chủ yếu do các phản ứng pozzolanic . Calcium hydroxide trong nước của đất phản ứng với silicates và aluminates (các hợp chất pozoolan) trong đất sét để hình thành các vật liệu xi măng hoặc các chất kết dính, bao gồm calcium silicates hoặc các aluminium hydrate (chủ yếu là các đihdrate) (theo Diamond và Kinter - 1965) .
- Chất keo calcium silicate (và/hoặc aluminate hydrate) xi măng hoá (kết dính ) các phần tử đất theo cách thức tương tự như hiệu quả tạo ra do sự thuỷ hoá của xi măng portland, nhưng quá trình ximăng hoá của vôi là một phản ứng chậm hơn rất nhiều mà trong đó đòi hỏi thời gian dài hơn nhiều so với sự thủy hóa cuûa xi maêng .
b. Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật của đất gia cố vôi :
Một số yếu tố ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kỹ thuật của đất gia cố vôi được tổng hợp trên biểu đồ 3.1 và biểu đồ 3.2.
50
10
5
1
0.5 Bắt đầu
trộn gia cố 1 tuần 1 tháng 3 tháng 1 năm (không lẩn hửu cơ)
Buứn seựt
Đất lẫn hữu cơ WL = 30-40~6
WL = 30-50~6 WL = 30-70~6
W L = 30-100~107 Seùt
WL <180, ~10 WL >180, ~10 Sức choáng cắt tương đoái ước tính Ccol/Cu
Biểu đồ 3.1 : Sự gia tăng chống cắt theo thời gian (Bergado . 1996)
Cở hạt (mm) A
Sỏi Cát Bùn hửu cơ Bụi Sét
100 80 60 40 20 0
100 10 1 0.1 0.01 0.001
Khoâng gia coá
B Gia cố bằng cơ học và bằng ximăng
C Voâi soáng, voâi toâi
DVoâi
Phaàn trăm trọng lượng
Biểu đồ 3.2 : Hiệu quả của phân bố cỡ hạt đối với việc áp dụng giải pháp gia cố vôi (theo Kezdi 1979)
Bảng 1 : Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm cứng của dung dịch kết dính vôi (Theo Bergado nghiên cứu cho đất sét Bangkok)
Yếu tố ảnh hưởng Hiệu quả làm cứng của dung dịch kết dính vôi Loại đất Giảm khi tăng lượng chứa nước, tăng chỉ số dẻo,
tăng hàm lượng sét và hàm lượng hữu cơ, hàm lượng sét nên lớn hơn 20%, hàm lượng sét và bụi nên lớn hơn 35%.
Các khoáng vật trong đất Tăng với các khoáng vật có hàm lượng cao pozzolan như montmorillinite và kaolinite Độ pH của đất Tăng khi độ pH tăng
Loại vôi Vôi chưa tôi hoặc vôi sống mang lại hiệu quả cao hơn vôi đã thuỷ hoá
Hàm lượng vôi Tăng khi khi hàm lượng vôi tăng ;
Hàm lượng vôi tối thuận là : Optium Lime Content
= +1,25 35
seùt
%
Thời gian dưỡng hộ Tăng khi tăng thời gian dưỡng hộ.
Nhịêt độ dưỡng hộ Tăng khi tăng nhiệt độ dưỡng hộ
Viện Kỹ Thuật Châu Á (Balasubramniam et al. 1988, 1989) đã tiến hành bổ sung các thí nghiệm trong phòng về việc sử dụng cọc vôi gia cố nền đất sét yếu Bangkok. Tỉ lệ vôi sống từ 5% đến 10% là tỉ lệ pha trộn tối thuận đối với đất sét Bangkok. Việc bổ sung lượng vôi sóng đã làm tăng cường độ chịu nén nở hông lên khoảng 5 lần và tăng cố kết trước lên 3 lần (Bergade et al…, 1996) . Hệ số cố kết theo phương thẳng đứng cũng tăng lên từ 10 đến 40 lần và các thông số sức bền hiệu quả cũng tăng , đặc biệt là góc nội ma sát tăng lên từ 24 đến 40 độ.
Các số liệu liên quan này được thể hiện ở biểu đồ 3.3, 3.4 và 3.5.
Biểu đồ 3.3. Quan hệ giữa độ ẩm tự nhiên và cường độ chịu nén nở hông của mẫu đất nguyên dạng và đất gia cố .
Biểu đồ 3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng NaCL trên hiệu quả cải tạo của vôi sống đối với tất đất sét Ariake (vùng Hauike) (Bergado al. 1996)
Biểu đồ 3.5. Ảnh hưởng của độ ẩm tự nhiên Và hàm lượng vôi sống trên hiệu quả cải tạo đất (Bergado et al . 1996)
Vôi có thể dùng để gia cố các lớp đất trầm tích sét không lẫn hữu cơ (điển hình là dự án san nền ở Louiseville, Quebec - 1996). Các nghiên cứu bằng thí nghiệm trong phòng cho thấy rằng việc bổ sung lượng vôi vào loại đất này gây ra sự phát triển của mạng lưới thứ cấp các lỗ rỗng siêu nhỏ xảy ra đồng thời với sự xi măng hoá của khối lớn kèm theo sự gia tăng của cả giới hạn dẻo và giới hạn chảy. Ngoài ra, việc bổ sung lượng vôi còn tạo ra các chỉ tiêu kỹ thuật riêng biệt ứng với từng tỉ lệ pha trộn khác nhau. Thêm vào đó, người ta còn thấy rằng độ dẫn xuất thuỷ lực biến đổi tăng hoặc giảm không những do phản ứng keo tụ mà còn do sự hình thành các khoáng chất thứ cấp . Nếu chỉ có phản ứng keo tụ xảy ra thì tiếp theo là sự gia tăng độ dẫn xuất thuỷ lực. Nếu lượng vôi bổ sung là đủ lớn, các khoáng chất thứ cấp tạo ra sẽ dẫn đến các thay đổi chủ yếu trong mạng lưới lỗ rỗng siêu nhỏ và điều này làm giảm độ dẫn xuất thuỷ lực tương ứng .
Biểu đồ 3.6. Các thí nghiệm nén một trục thực hiện trên các mẫu đất gia cố vôi có độ ẩm chế bị là 122% sau 30 ngày
dưỡng hộ (theo Locat et at .1996) 3.2.2 Tổng quan đất gia cố cọc xi măng :
Nói chung xi măng là chất kết dính tốt nhất dùng trộn với đất bởi vì cường độ tương đối cao đạt được so với các chất kế dính khác trộn với đất . Xi măng là loại vật liệu có sẵn tuy nhiên cũng là loại chất kết dính đắt tiền nhất dùng trộn với đất để gia cố. Trộn xi măng với đất làm gia tăng cường độ, giảm tính nén lún, giảm khả năng trương nở và gia tăng độ bền của đất .
a. Cơ chế tương tác của xi măng với đất yếu : Cũng theo kết quả nghiên cứu của Bergado (1996).
- Phần tử xi măng Portland là một chất không đồng nhất chứa tricalcium silicate (C3S), dicalcium silicate (C2S), tricalcium alumitate (C3A) và một dung dịch rắn Tetracalcium alumino – ferrite (C4A) . Bốn thành phần chính này là hợp chất chủ yếu tạo ra sức bền . Khi nước trong lỗ rỗng của đất gặp xi măng, sự thuỷ hoá của xi măng xảy ra nhanh chóng và các sản phẩm thuỷ hoá chủ yếu (xi măng hoá giai đoạn đầu) là hydrated calcium silicates (C2SHx, C3H2H2), hydrated calcium aluminates (C3AHX, C4AHX) và hyđrate vôi Ca(OH)2 . Hai sản phẩm thuỷ hoá đầu tiền kể trên là sản phẩm xi măng hoá chính được hình thành và vôi thuỷ hoá thành lớp như một pha rắn kết tinh riêng biệt. Những phần tử xi
măng này kết dính các hạt xi măng lân cận với nhau suốt quá trình làm cứng và hình thành vữa dính kết khung cứng bao quanh những phần tử đất bất biến . - Ngoài ra, sự thuỷ hoá xi măng dẫn đến sự gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng, tạo bởi sự phân ly của vôi thuỷ hoá. Các base mạnh trung hoà, silica và alumina của đất ( vốn có tính acid) từ các khoáng chất sét và các vật liệu vô định hình trên bề mặt của các phần tử sét, theo phương cách tương tự với phản ứng giữa một acid yếu là một base mạnh. Sau đó, silica và almina ngậm nước phản ứng lại với các ion calium giải phóng từ sự thuỷ phân của xi măng để hình thành các hợp chất không hoà tan được (các sản phẩm xi măng hoá thứ cấp), chính các hợp chất này làm cứng khi được dưỡng hộ để gia cố đất. Phản ứng thứ cấp này được mệnh danh là phản ứng pozzolanic. Sự thuỷ hoá ximăng và phản ứng pozzolanic có thể kéo dài nhiều tháng, thậm chí nhiều năm sau khi trộn và vì thế, cường độ của đất sét xử lý xi măng được xem như tăng theo thời gian .
b. Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính ký thuật của đất gia cố xi măng. Các yếu tố này được diễn giải chi tiết hơn ở Bảng 2 .
Bảng 2. Các yếu tố chi phối quá trình làm cứng của mỗi hợp chất – xi măng
Yếu tố Hiệu quả làm cứng
Loại đất Giảm khi hàm lượng nước trong đất tăng, chỉ số dẻo tăng hàm lượng đất sét tăng, hàm lượng hữu cơ tăng Các khoáng chất trong
dất Tăng khi hàm lượng các khoáng chất pozzolanic tăng (như montmorillintie và kaolinite)
Độ pH của đất Tăng khi độ pH tăng
Loại xi măng Xi măng loại III hiệu quả hơn xi măng loại I mặc dù xi măng loại I được dùng phổ biến hơn.
Hàm lượng xi măng Gia khi tăng hàm lượng xi măng Thời gian dưỡng hộ Gia tăng theo thời gian dưỡng hộ Nhịêt độ dưỡng hộ Gia tăng khi nhiệt độ dưỡng hộ tăng
Theo Mitchell (1974), cường độ chịu nén nở hông của đất gia cố xi măng tăng khi hàm lượng xi măng tăng . Quan hệ này thể hiện qua công thức sau :
Qu= qu(t0)+Klogt/t0
Trong đó:
- qu (t) : Cường độ chịu nén nở hông ở t ngày (kPa) - qu (t0) : Cường độ chịu nén nở hông ở t0 ngày (kPa) - Aw : Hàm lượng xi măng (% theo khối lượng ).
- K : 480 Aw đối với đất hạt lớn và 70 Aw đối với đất hạt mịn - t : Thời gian dưỡng hộ .
Để minh họa, Bergado và nhóm cộng sự (1996) đã cung cấp các chi tiết về việc sử dụng ximăng để cải tạo đặc tính kỹ thuật của đất sét yếu Bangkok với hàm lượng 5% xi măng (theo Bergado 1996).
Bảng 3: Các đặc tính kỹ thuật của đất sét yếu ở Bangok trước và sau khi xử lý
Chỉ tiêu Trước khi xử lý Sau khi sử lý
Giới hạn chảy (%) 103 -
Chổ soỏ deỷo 60 -
Dung trọng khô (kN/m3) 8,28 – 9,31 8.28
Độ ẩm (%) 67,06 – 80,89 67.02-80.89
Heọ soỏ roóng 1,82 – 2,16 1.82-2.16
Biểu đồ 3.7. Cường độ chịu nén nở hông của đất sét Bangkok gia tăng khi hàm lượng xi măng tăng .
- Bergado và cộng sự (1996) cũng đã công bố các kết quả thí nghiệm biểu thị sự gia tăng sức chống cắt của đất sét Bangkok khi trộn với xi măng. Khi trộn 10%
xi măng với đất sét yếu Bangkok thì độ bền nén nở hông tăng khoảng 2 –4 lần, hệ số cốt kết tăng từ 10 – 40 lần . Từ các thí nghiệm nén nở hông , người ta nhận thấy nói chung hàm lượng xi măng tối thuận là 10% - 15% (tính theo trọng lượng) và thời gian dưỡng hộ tối thuận khi xử lý đất sét yếu Bangkok là từ 1 tháng đến 2 tháng .
Bố trí cọc xi măng dạng tường có hiệu quả hơn trong việc giảm biến dạng ngang so với cọc xi măng riêng lẻ
3.2.3. Tổng quan đất gia cố cọc vôi – xi măng (Lime – Ximăng columns - LCC) Theo tổng kết của đại học Norwegian Uiversity of Sicience and Technology NTNU, Na Uy :
§ Trong vòng 10 năm qua việc sử dụng cọc vôi -xi mang đã gia tăng nhanh chóng ở Na Uy đặc biệt là cọc vôi – xi măng bố trí dạng tường .
§ Cọc vôi – xi măng đã được dùng để gia cố ổn định mái dốc và giảm lún cho công trình, đặc biệt là trên nền đất sét yếu .
§ Cọc vôi - xi măng được sử dụng hiệu quả cho đất bùn sét, đất sét lún ướt .
§ Cọc vôi - xi măng bố trí riêng rẽ được sử dụng để chịu tải nén thẳng đứng ; cọc vôi – xi măng - xi măng bố trí dạng tường và dạng khối được dùng để tăng cường khả năng chống cắt của mái doác .
§ Tỉ lệ trộn tối thuận đối với đất sét mềm và lún ướt ở Na uy 22kg vôi và xi măng (tỉ lệ 50/50) cho mỗi bên mét cọc đường kính 0,6m.
§ Độ cứng và sức bền của cọc vôi - xi măng biến đổi đáng kể tùy theo cấp phối trộn vôi/ximăng và điều kiện nền đất yếu .
§ Sự cải thiện sức bền do phản ứng vôi – xi măng là tuỳ thụôc vào phản ứng hoá học và độ tăng sức bền là tuỳ thuộc thời gian