CHƯƠNG 2 CƠ SỞ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA KHOÁNG VẬT
2.1.2 Cấu trúc của Montmorillonite
MMT là một khoáng vật được tạo bởi 2 lớp Si và 1 lớp Al (Hình 2.1). Do đó, MMT được gọi là khoáng vật có tỷ lệ 2:1. Khối bát diện (Al) nằm giữa hai khối tứ diện (Si) bởi các đỉnh tứ diện liên kết với các nguyên tử hydroxyl (OH) nằm ở đỉnh khối bát diện tạo thành một lớp hoàn chỉnh. Bề dày của lớp có tỷ lệ 2:1 này khoảng 0,96nm (Hình 2.2) và phát triển không hạn chế theo 2 phương kia.
Bảng 2.1 Hàm lượng các thành phần hóa học của MMT (Grim, R.E, 1959) [42]
Tên hóa học Ký hiệu Giá trị (%) Thành phần hóa học Giá trị (%)
Natri Na 0,84 Na2O 1,13
Canxi Ca 0,73 CaO 1,02
Nhôm Al 9,83 Al2O3 18,57
Silic Si 20,46 SiO2 43,77
Hydrô H 4,04 H2O 36,09
Oxy O 64,11
.
Hình 2.1 Đơn vị cơ bản của tinh thể MMT (Grim, R.E., 1959) [42]
O OH Si Al
30
Sơ đồ cấu trúc không gian mạng lưới của MMT ở là một cấu trúc trung hòa điện. Nếu cation Si4+ tứ diện hay cation Al3+ bát diện bị thay thế đồng hình bởi các cation dương thấp hơn thì các phân mạng đó có điện tích âm. Điện tích âm của mạng sẽ được bù trừ bằng các cation mang điện tích dương Na+, K+, Ca2+, Fe2+, Mg2+, …ở khoảng không gian giữa các lớp. Các cation này có khả năng trao đổi được với các cation kim loại khác. Như vậy năng suất trao đổi của MMT tương đương với điện tích các lớp.
Ảnh hưởng của khoáng vật Montmorillonite đến tính trương nở của đất Trong đất sét thông thường gồm có các thành phần khoáng vật là MMT, Illite, Chlorite và Kaolinite (Hình 2.3) [25] và (Phụ lục 5).
Hình 2.2 Sơ đồ rút gọn về cấu tạo MMT (Lambe, T.W., 1953) [41]
Hình 2.3 Thành phần khoáng vật trong đất sét ở ĐBSCL (Nozu và các đồng nghiệp, 2010) [25]
Các cation trao đổi nH2O
Si
Si Si
Si Si
Si Al
Al
Al
0,96nm
0 10 20 30 40 2 (o)
Cường độ
100 80 60 40 20 0
Montmorillonite Montmorillonite Montmorillonite QuartzQuartz
Quartz Kaolinite
Kaolinite Quartz
31
Kích thước tương đối của bốn khoáng vật sét phổ biến với tỷ diện tích của chúng (Hình 2.4). Khoáng vật Kaolinite có kích thước lớn nhất với bề dày khoảng vài μm, trong khi khoáng vật MMT có kích thước nhỏ nhất với bề dày chỉ khoảng vài nm. Bề mặt hoạt động của khoáng vật phụ thuộc vào đường kính hạt, vì vậy khoáng vật MMT có mức độ hoạt động mạnh hơn khoáng vật Kaolinite và bề mặt hoạt động của cát hoặc bụi gần như bằng không [49], [50].
Hình dáng
khoáng vật Ảnh SEM Bề dày
(nm)
Đường kính (nm)
Tỷ diện tích (km2/kg)
Montmorillonite 3 100-1.000 0,8
Illite 30 10.000 0,08
Chlorite 30 10.000 0,08
Kaolinite
50-2.000 300-4.000 0,015
Hình 2.4 Kích thước một số khoáng vật sét (Yong và Warkentin, 1975) [50]
32
Lực hút dính Van der Waals giữa các lớp Silicate nằm phía trên yếu và có độ hút điện tích âm thực trong lớp bát diện nên nước và các ion trao đổi có thể xâm nhập vào phần và chia tách các lớp mạng. Do đó, tinh thể MMT có thể hấp thụ nhiều nước và trương nở rất mạnh. Đất có chứa khoáng vật MMT rất dễ bị trương nở khi gặp nước và co ngót lại khi mất nước.
Khi nước bị hấp thụ vào giữa các lớp sẽ làm thay đổi chiều dày lớp cấu trúc. Tính chất này được gọi là tính chất trương nở. Sự trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình trong các lớp bát diện và sự có mặt của các ion trong môi trường phân tán. Lượng nước được hấp thụ vào giữa các lớp phụ thuộc vào khả năng hydrate hóa của các cation trao đổi.
Khi MMT hấp thụ hơi nước hay tiếp xúc với nước, các phân tử nước sẽ xâm nhập vào các lớp, làm khoảng cách này tăng lên ít nhất 1,17 nm tùy thuộc vào loại MMT và lượng nước hấp thụ. Sự tăng khoảng cách được giải thích do sự hydrate hóa của các cation giữa các lớp.
Khi cho nước vào hỗn hợp, hỗn hợp bị trương nở mạnh khi có hàm lượng MMT cao, trong quá trình trương nở không những thể tích của đất được tăng lên làm giảm khối lượng thể tích, mà còm làm giảm tính dính của hỗn hợp do sự làm giảm yếu đáng kể lực dính kết giữa các hạt đất riêng lẻ từ đó hình thành sự tan rã của đất.
Sự gia tăng thể tích của đất trong quá trình trương nở sẽ sinh ra áp lực, áp lực này được gọi là áp lực trương nở. Áp lực trương nở có thể quan sát và đo được bằng tải trọng bên ngoài, mà tại đó sẽ không quan sát thấy sự tăng thể tích của đất. Khả năng trương nở của đất được biểu thị bằng các đặc trưng: Mức độ trương nở, áp lực trương nở và độ ẩm trương nở [51].
Mức độ trương nở là sự thay đổi của chiều cao (RN) hay thể tích (V) của mẫu đất.
RN=hc− hd
hd (%) (2.1)
δV=∆V
V (%) (2.2)
33
Trong đó hd, hc lần lược là chiều cao ban đầu và chiều cao cuối cùng của mẫu, V là lượng tăng thể tích của mẫu đất do trương nở gây ra, V là thể tích của ban đầu của mẫu trước khi thí nghiệm. Các loại đất trương nở được phân loại theo Bảng 2.2 phụ thuộc vào độ trương nở của mẫu đất.
Áp lực trương nở (PN) là áp lực mà tại đó không thể xảy ra biến dạng trong quá trình trương nở.
Độ ẩm trương nở (WN) là độ ẩm tương ứng với trạng thái của đất mà tại đó quá trình hút nước ngừng lại, kết thúc quá trình trương nở.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tính trương nở của đất như thành phần khoáng vật, dung trọng khô, độ ẩm ban đầu và thời gian trương nở, hàm lượng hạt sét và hàm lượng hạt sỏi sạn, áp lực bên ngoài.
Ảnh hưởng của khoáng vật Montmorillonite đến cường độ chịu nén của đất xi măng [6], [52]
Trụ đất xi măng là hỗn hợp giữa đất tự nhiên nơi gia cố và hỗn hợp xi măng được phun xuống thông qua thiết bị khoan trộn. Mũi trộn được đưa xuống đất bằng cách khoan xoay, khi tới độ sâu thiết kế, mũi trộn đảo chiều quay ngược lại và đồng thời rút dần lên trộn đất tại chỗ với chất gia cố. Trong suốt quá trình rút lên, hỗn hợp xi măng được phun vào bằng khí nén ở đầu mũi trộn, tới cao độ đầu cột thì dừng lại.
Việc hình thành cường độ xảy ra thông qua quá trình ninh kết của hỗn hợp đất xi măng (Hình 2.5) qua các phản ứng chủ yếu: phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng; tác dụng của các hạt đất với các chất thủy hóa của xi măng; tác dụng cacbonate hóa.
Bảng 2.2 Phân loại đất trương nở (Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh, 2001) [51]
Độ trương nở RN, % Phân loại RN < 4 Không trương nở 4 < RN < 8 Trương nở yếu 8 < RN < 12 Trương nở trung bình
12 < RN Trương nở mạnh
34
Hạt xi măng Portland là một hợp chất bao gồm Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate (C2S), Tricalcium Aluminate (C3A) và các chất rắn hòa tan như Tetracalcium Alumino-Ferrit (C4A). Bốn phần tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo độ bền chủ yếu.
Khi nước lỗ rỗng trong đất gặp xi măng, quá trình thủy hóa xi măng xảy ra nhanh chóng và sản phẩm của sự thủy hóa chính yếu ban đầu này là Hydrated Calcium Silicate (C3SHX, C3S2HX), Hydrated Calcium Aluminate (C3SAX, C3S2AX) và Hidrocid vôi Ca(OH)2. Hai sản phẩm kết dính xi măng chính được hình thành và thủy hóa vôi được sử dụng như pha tinh thể rắn tách biệt.
Những phần tử xi măng này kết hợp các hạt xi măng nằm kế bên với nhau trong suốt quá trình hóa cứng để tạo thành hỗn hợp bộ khung bao quanh các hạt đất nguyên vẹn.
Các pha Silicate và Aluminate được kết hợp nội tại, do đó hầu như không có pha nào kết tinh hoàn toàn. Một phần của Ca(OH)2 cũng có thể kết hợp với các pha Hydrate khác, chỉ có một phần được kết tinh. Hơn nữa thủy hóa xi măng dẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng gây ra bởi sự phân ly của vôi Hydrate. Các bazơ mạnh hòa tan Silicate và Aluminate từ cả khoáng vật sét và các chất vô định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo cách tương tự như phản ứng acid yếu và bazơ mạnh. Các
Hình 2.5 Quá trình hình thành cường độ đất xi măng Phản ứng Pozzolanic
Phản ứng Hydrate hóa xi măng
Thay đổi tính chất vật lý Giảm độ ẩm
Tức thời Lâu dài Thời gian
Cường độ
35
Silica và Alumina ngậm nước sau đó sẽ từ từ phản ứng với các ion Calcium tự do từ sự thủy phân xi măng để tạo thành hợp chất không hòa tan. Phản ứng thứ yếu này được gọi là phản ứng puzzolanic. Khi xi măng được trộn với đất, xi măng sẽ phản ứng với nước trong đất theo các phương trình sau:
2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (2.3) 2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (2.4) 4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 10H2O + 2Ca (OH)2 = 6CaO.Al2O3.Fe2O3.12H2O (2.5) 3CaO.Al2O3 + 12H2O+ Ca(OH)2 = 3CaO.Al2O3.Ca(OH)2.12H2O (2.6) 3CaO.Al2O3 + 10H2O + CaSO4.2H2O = 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O (2.7) Đây là quá trình hydrate hóa xi măng và có dạng chung là:
Xi măng + H2O → Keo C-S-H + Ca(OH)2 (2.8)
Ca(OH)2 → Ca++ + 2(OH)- (2.9)
Ca++ + 2(OH)- → Keo C-S-H (2.10)
Trong đó C là CaO, S là SiO2 và H là H2O
Phản ứng này diễn ra nhanh và mạnh, đồng thời tỏa ra một nhiệt lượng lớn làm bốc hơi nước có trong đất. Hiện tượng này cũng làm đất được gia cố xi măng tăng độ bền hơn trước. Tuy nhiên, khi đất có hàm lượng MMT cao, MMT sẽ hút nước có trong đất làm ngăn cản quá trình Hydrate hóa này, từ đó lượng keo C-S-H sinh ra ít hơn, đồng thời khối lượng thể tích của trụ đất xi măng sau đó cũng bị giảm do phản ứng thủy hóa sinh nhiệt làm mất nước trong cấu trúc MMT và gây co ngót trong đất xi măng. Kết quả là đất gia cố xi măng có thể bị nứt cục bộ và giảm cường độ chịu nén.
Lý thuyết phân tích mẫu đất xi măng bằng phương pháp chụp tia X
Nguyên lý chụp cấu trúc các vật thể bằng tia X ứng dụng trong kỹ thuật cũng tương tự như phương pháp chiếu tia X dùng trong y học, nhưng khác nhau về các thông số thiết bị như cường độ nguồn chiếu tia X, thông số nguồn điện, và độ phân giải của hình ảnh các vật thể. Khi tia X chiếu qua mẫu cho hình ảnh về mẫu là tập hợp phép đo hình
36
chiếu lên thiết bị thu nhận tín hiệu. Khi chùm tia X chiếu xuyên qua, có cường độ I0, sau khi qua mẫu, giá trị cường độ đổi thành I. Quá trình này được biểu diễn bằng công thức (2.11) trong đó W là bề rộng của mẫu, f là hệ số hấp thụ. Do đó hình chiếu được tính theo công thức (2.12), trường hợp mẫu không đồng nhất, thì tập hợp hình chiếu được tính theo công thức (2.13).
I=I0exp (−fW) (2.11)
p=fW=ln(𝐼0/𝐼
(2.12) p(r,θ)=lnI0
I = ∫ f(x, y)dt
∞
−∞
(2.13) Trong công thức (2.13) f(x,y) là hàm phân bố theo không gian của hệ số hấp thụ theo chiều x và y, và mỗi đường chiếu đều tích hợp cả hai thông số (r, ) (hình 2.6). Tuỳ thuộc vào các thông số kỹ thuật và cách vận hành của mỗi hệ thống thiết bị X-Ray CT mà thiết bị có nguồn chiếu tia X tới mẫu có góc quét khác nhau, do đó hình ảnh mỗi mặt cắt của mẫu có thể thu trong một lần hoặc nhiều lần.
Công nghệ chụp tia X là một kỹ thuật đo lường ba chiều (Hình 2.7). Mỗi lát cắt là một bức ảnh cổ điển trắng đen được tạo thành từ một ma trận pixel hai chiều, có chiều dày xác định. Voxel được hình thành từ sự kéo dài pixel trong không gian ba chiều. Vì thế
Hình 2.6 Nguyên lý về phép chiếu tia X qua mẫu Mẫu thí nghiệm Hàm phâm bố
37
giá trị của voxel là giá trị về thể tích. Kích thước của voxel là độ phân giải trong không gian 3 chiều (Hình 2.8).
Khi một lát cắt qua mẫu đất, có ba trường hợp xảy ra: kích thước hạt đất lớn hơn, nhỏ hơn nhiều và nhỏ ít hơn một voxel (Hình 2.9).
Hình 2.7 Kỹ thuật chụp tia X
Hình 2.8 Một lát cắt được tạo thành từ n voxels x n voxels n voxels
Độ dày tia X Tia X
Tia X
Xây dựng ảnh
Lát cắt 2D Mẫu thí nghiệm
Cường độ
38
Khi hạt vật liệu lớn hơn một voxel (Hình 2.9a) thì giá trị CT-value thu được có thể dễ dàng nhận ra khối lượng thể tích của hạt vật liệu này. Nhưng nếu hạt vật liệu nhỏ nhiều hơn một voxel (Hình 2.9b) thì giá trị CT-value là giá trị trung bình của hạt vật liệu và khoảng trống cho một voxel. Trường hợp nhỏ ít hơn (Hình 2.9c) cũng giống như trường hợp nhỏ nhiều hơn, một vài hạt vật liệu đã lọt ra khỏi một voxel và khối lượng thể tích của vật liệu trong trường hợp này phản ánh khối lượng thể tích trung bình. Vì thế các tính chất này rất quan trọng trong việc lựa chọn số lượng và chất lượng ảnh tia X.
Độ phân giải của ảnh tia X phụ thuộc vào kích thước hạt vật liệu. Các hình ảnh tia X được thể hiện cùng với giá trị CT-value [28]. Giá trị CT-value (còn được gọi là giá trị Hounsfield-value) được định nghĩa:
CT-value=μ-μw
μw k+α (2.14)
Trong đó là hệ số hấp thụ tại điểm quét và w là hệ số hấp thụ đối với nước, k và α là các hằng số vật liệu. Thông thường k=1000 và α=0. Vì vậy giá trị CT-value của không khí là -1000 và của nước là 0. Do đó:
CT-value=1000xμ-μw
μw (2.15)
CT-value là một đường cong lý thuyết và mỗi mẫu thí nghiệm có một mối quan hệ giữa CT-value và khối lượng thể tích. Mối quan hệ giữa CT-value và khối lượng thể tích là của vật liệu là:
CT-value=1000ρd-1000 (2.16)
a) b) c) Hình 2.9 Mối quan hệ giữa hạt đất và voxel Voxel
Hạt đất
39
Tia X được sử dụng để phân tích tính chất vật lý và cơ học của đất xi măng, qua đó khối lượng thể tích và hình dạng phá hoại của mẫu đất xi măng được phân tích và quan sát bằng hình ảnh. Từ các ảnh này, mối quan hệ giữa tính chất vật lý và cơ học của mẫu đất xi măng được cũng phân tích rõ ràng.
Cơ sở xây dựng mô hình thu nhỏ trong phòng thí nghiệm
Thí nghiệm bằng mô hình thu nhỏ trong phòng được thực hiện để giải quyết những bài toán ngoài thực tế, đó cũng là một phương pháp quan trọng để nghiên cứu các hiện tượng vật lý hay kiểm tra các hiện tượng suy diễn từ lý thuyết. Thực chất của thí nghiệm bằng mô hình là thu nhỏ hoặc phóng đại đối tượng nghiên cứu theo một tỉ lệ nào đó, xây dựng thành một đối tượng thay thế, thông qua thí nghiệm để suy đoán những hiện tượng sẽ xuất hiện ngoài thực tế. Để có được sự tương đồng hoàn toàn, các mô hình thí nghiệm vật lý phải được thiết kế theo một cách mà các thứ nguyên độc lập phải có giá trị tương tự trong mô hình thực tế.
Vì vậy, tính tương tự của mô hình là cơ sở lý thuyết cho việc thiết lập xây dựng mô hình. Tính tương tự của mô hình thí nghiệm trong phòng và thực tế thỏa mãn ba phương diện: hình học, động thái và động lực [53], [54], [55].
- Tương tự hình học là tương tự về kích thước hình học giữa mô hình và nguyên hình.
lN1
lM1 = lN1
lM1 = ⋯ = lNn
lMn = λl (2.17)
- Tương tự động thái hay còn gọi là tương tự về động lực tức về trạng thái chuyển động giữa mô hình và nguyên hình.
UN1
UM1 = UN1
UM1 = ⋯ = UNn UMn = λU
(2.18) aN1
aM1 =aN1
aM1 = ⋯ = aNn
aMn = λa (2.19)
- Tương tự động lực là sự tương tự giữa lực tác dụng lên mô hình và nguyên hình.
fN1
fM1 = fN1
fM1 = ⋯ = fNn
fMn = λf (2.20)
40
Phương pháp mô phỏng bằng mô hình trong phòng thí nghiệm là dùng các mô hình có kích thước nhỏ hơn so với thực tế để mô phỏng lại ứng xử của công trình thực. Với thí nghiệm trong phòng, các trạng thái ứng suất, biến dạng, quá trình phá hoại của nền đất được quan sát dễ dàng. Mô hình thí nghiệm trong phòng có ưu điểm là ít tốn kém, không bị chi phối bởi các điều kiện về thời gian, không gian, thời tiết, khí hậu và nhiệt độ,…đồng thời các yếu tố và các điều kiện ảnh hưởng riêng lẻ cũng dễ dàng được nghiên cứu.
Để xây dựng mô hình thí nghiệm thu nhỏ trong phòng, đề tài nghiên cứu tận dụng các ưu điểm của các mô hình thí nghiệm được phân tích ở chương 1 như sau: về kích thước hình học mô hình thí nghiệm của Kitazume, M. và các đồng nghiệp (1999);
phương pháp cố kết lớp đất yếu theo mô hình thí nghiệm của Larson, S. (1999), Koche, M. (2004) và Sengor, M.Y. (2011); phương pháp tạo trụ đất xi măng trong nền đất yếu theo mô hình thí nghiệm của Sengor, M.Y. (2011); và phương pháp truyền tải lên nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng theo mô hình thí nghiệm của Ailin Nur J.O và các đồng nghiệp (2011).
Nhận xét
Thành phần khoáng vật MMT ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của đất nền, làm đất trương nở khi gặp nước và co ngót khi mất nước. Quá trình thi công trụ đất xi măng gây xáo trộn nền đất tự nhiên làm cho MMT trong đất trương nở ra khi gặp nước trong đất từ đó làm ảnh hưởng đến quá trình hình thành cường độ của trụ đất xi măng. Để xem xét ảnh hưởng tính trương nở của MMT đến cường độ chịu nén của trụ đất xi măng, các thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của mẫu đất xi măng được xác định bằng hỗn hợp trộn với các hàm lượng MMT khác nhau từ đó đề xuất thi công trụ đất xi măng với hàm lượng xi măng thích hợp cho các vùng đất khác nhau.