CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG HẦM
2.1. Tình hình nghiên cứu và giải pháp đào hầm qua các điều kiện địa chất yếu
2.1.2. Phương pháp phụt ép vữa xi măng, dung dịch hóa chất
2.1.2.3. Điều kiện sử dụng các loại dung dịch để gia cường cát
Với cát thì phương pháp xi măng hóa không mấy hiệu quả. Muốn bơm ép gia cường cát thì phải dùng dung dịch hóa học để gia cường. Thông thường khi cỡ hạt của cát từ 0,01 – 0,5mm thì phải dùng dung dịch hóa học để gia cường. Nếu cát có cỡ hạt từ 0,5 – 2,0mm có thể gia cường bằng xi măng hóa khi hàm lượng các hạt lớn chiếm tới 80% thể tích cần gia cường.
Như vậy có thể kết luận rằng đối với cát ở phay phá thì chỉ có thể dùng phương pháp bơm ép dung dịch hóa học để gia cường. Chính vì lẽ đó sau đây xem xét kỹ hơn phương pháp dùng bơm ép hóa chất để gia cường cát ở phay phá.
Hình 2.5. Giới hạn sử dụng công nghệ xi măng hóa
- 19 -
- Bơm ép thủy tinh lỏng để gia cường (hóa học):
Phương pháp này hay còn gọi là phương pháp Silicat hóa, tức là phun vào cát hai dung dịch Silicat Natri (Na2O.SiO2) hay còn gọi là thủy tinh lỏng và clorua Canxi Cacl2. Hợp chất này gọi là keo Oxit Silic có công thức hóa học là [n SiO2(m-1)H2O] làm cho các hạt cát (hoặc cuội, sỏi,..)gắn chặt lại với nhau rất bền vững và giảm hệ số thấm.
0 10 20 h
1 2 3 4 5 6 7 %
Hình 2.6. Phụ thuộc hàm lượng phụ gia mà thời gian bắt đầu đóng rắn khác nhau 1, 2, 4 ứng với 30%, 40%, 50% dung dịch
0 1 20 40 60 80 0
3 7 10 14 ngày đêm
s, kg/cm2
Hình 2.7. Độ bền của mẫu phụ thuộc vào thời gian đóng rắn
- 20 -
Phản ứng hóa học xảy ra khi bơm hai dung dịch trên vào cát sẽ là:
Na2O.nH2O + CaCl2 -> nSiO2. (m-1) H2O + Ca(OH)2 + 2NaCl
Cát được gia cường đạt độ bền nén từ 50-100 Kg/cm2. Phương pháp trên còn gọi là phương pháp hai dung dịch và được áp dụng với loại cát có hệ số thấm từ 2 - 80m/ngày - đêm. Với hệ số thấm từ 0,5 đến 5m/ngày – đêm thì phải dùng phương pháp hỗn hợp điện thấm + Silicat hóa.
- Phương pháp điện thấm + Silicat hóa (phương pháp Điện hóa)
Bản chất của phương pháp này là cho nguồn điện một chiều chạy qua các điện cực cắm vào khối cát cần gia cường. Tại ống có điện dương người ta đưa dung dịch bơm vào và tại cực âm là ống thu nước bơm đi.
Phụt dung dịch đồng thời với việc đóng mạch điện. Dưới tác dụng của quá trình điện thấm (quá trình di chuyển nước từ cực dương sang cực âm và tự cô kết cát yếu nhờ quá trình điện hóa ở các cực) và của áp lực phun dung dịch dễ dàng đi vào cát để gia cường.
Nhược điểm căn bản của phương pháp Silicat hóa là cho độ bền không cao. Trong trương hợp sử dụng phương pháp điện thấm + Silicat hóa thì độ bền có tăng khoảng 10 - 15%. Trong trường hợp này tốt nhất và hiệu quả nhất là dùng phương pháp nhựa hóa (keo hóa) bằng các hợp chất hóa học khác.
- Phương pháp gia cường cát bằng hóa chất:
Dung dịch hóa học có độ linh hoạt và xâm nhập cao trong đất đá nói chung và cát nói riêng. Ngoài ra còn có hàng loạt các ưu điểm sau:
- Có độ bám dính với các hạt gia cố cao;
- Độ bền cơ học của khối gia cường lớn
- Thời gian đóng rắn của dung dịch có thể điều chỉnh được nhờ các phụ gia thích hợp
- Đất đá gia cường có khả năng chống thấm nước và thấm khí cao
- 21 -
Lần đầu tiên phương pháp này được sử dụng trong khai thác mỏ tại Mỹ vào năm 1957. Ở Liên Xô cũ được áp dụng để đào Giếng qua cát chứa nước ở Mỏ “Alechxan đrov”.
Cùng với sự phát triển của công nghiệp hóa chất, nhiều dung dịch được đưa ra rẻ hơn vừa có đặc tính gia cường cao, lại chống độc hại. Người ta đưa ra hàng loạt chất hóa học và phương pháp kèm theo để gia cường đất đá bở rời kém ổn định, cụ thể như sau:
- Cao su tổng hợp với theremoploastic - Cao su Poliester với Catalys therefor
- Polyisocyanate free non – Shriak Synthetic resin,..
Ở các nước phương tây (Mỹ, Anh, Pháp, Canada) đã dùng dung dịch AM-9, ở Nhật dùng Xumixoil, ở Đức dùng Poliuretan. Ở Liên Xô cũ các nhà khoa học đã đưa ra các loại dung dịch hóa chất để gia cường trên cơ sở của các loại chất deo sau đây:
- Urephormaldehyd, Melamin-Urephormaldehyd-Phur foorol, Axeton,..
Trong các dung dịch trên người ta thường cho thêm các phụ gia đông cứng trên cơ sở các a xít, muối Clo…
Tùy thuộc vào tỉ lệ giữa các thành phần: Nước, chất dẻo, chất đông cứng mà đặc điểm độ bền, thời gian đông cứng, độ nhớt và độ dính kết của dung dịch khác nhau.
Thông thường cần phải tiến hành thí nghiệm lựa chọn thành phần tối ưu của dung dịch để gia cường loại đất cát cụ thể nào đó. Để làm việc này cần có các phân tích khoáng chất, thành phần thạch học và các đặc điểm khác của đối tượng cần gia cố: hệ số thấm, độ hạt, độ phong hóa, tính chất của nước,…
Ở Việt Nam nhờ đã có các chất hóa dẻo nên đã bước đầu có những ý tưởng dùng hóa chất gia cố than, đá yếu bằng dung dịch Urephormaldehyd.
- 22 -
Kết quả thí nghiệm trong phòng chỉ rõ độ bền của than hay đá yếu được gia cường bằng dung dịch Urephormaldehyd tỉ lệ 1:1 có thể đạt 20kg/cm2. Tuy vậy ở đây vẫn còn nhiều vấn đề chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Để gia cường đất đá băng dung dịch hóa chất cần phải có hàng loạt các thiết bị chuyên dùng, bao gồm:
- Các bình chứa hóa chất; Bình đo thể tích; Hai bình khuấy trộn dung dịch; từ 1 đến 2 máy bơm dung dịch; Dây mềm dẫn dung dịch tời vòi phun, các vòi phun đặt trong đối tượng cần gia cố,..
- Các thiết bị phòng độc cho công nhân, thiết bị cứu hỏa…
- Cần có biện pháp thi công hợp lý, thiết bị thu gom và lọc nước thải tuân thủ các quy định về vệ sinh, môi trường để lọc nước thải tránh để nước thải chảy ra môi trường.
- Máy bơm dung dịch hóa chất thường dùng là loại bơm pittong có năng suất bơm 10-30 lít/phút với áp suất 150kg/cm2 và chỉ dùng để bơm dung dịch hóa chất điều này sẽ gây khó khăn cho các đơn vị thi công khi lập luận chứng đầu tư.
Qua các nhược điểm trên chúng ta thấy rằng với điều kiện kinh tế còn khó khăn, khả năng tiếp xúc với các công nghệ mới còn hạn chế và đặc biệt là khả năng cung ứng hóa chất một lượng lớn trong thời gian ngắn nên khả năng đưa công nghệ này vào thực tế ở Việt Nam là khó khả thi.