Các phản ứng hóa học

Một phần của tài liệu NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CÁC CƠ CHẾ PHÁ HOẠI TƯỜNG CHẮN LOẠI CỌC XI MĂNG - ĐẤT GIA CỐ HỐ ĐÀO SÂU (Trang 34 - 39)

1.2 Giới thiệu về cọc ximăng – đất bảo vệ thành hố đào, những sự cố xảy ra trong tính toán và thực tế

1.2.3 Cơ sở lý thuyết cho cọc ximăng - đất

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, sự đông 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 kể đến 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 sự đông 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…

Một phần của tài liệu NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CÁC CƠ CHẾ PHÁ HOẠI TƯỜNG CHẮN LOẠI CỌC XI MĂNG - ĐẤT GIA CỐ HỐ ĐÀO SÂU (Trang 34 - 39)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(168 trang)