Tương tự như cỏc tường chống thấm, ở một số khu vực bói rỏc của cỏc nhà mỏy cú sự rũ rỉ chất độc hại ảnh hưởng đến mụi trường xung quanh, người ta xõy dựng CĐXM thành một tường ngăn cỏch bao quanh khu vực bị ụ nhiễm. Giải phỏp này được ỏp dụng tại nhà mỏy sản xuất thuốc trừ sõu cạnh vịnh San Francisco (California Mỹ) bằng cỏch xõy dựng ba hàng CĐXM đường kớnh 2,4m gối chồng lờn nhau thành tường chống thấm bao quanh khu vực ụ nhiễm của nhà mỏy, khoanh vựng khụng cho vựng ụ nhiễm lan rộng.
1.3.5. XI MĂNG VÀ CƠ CHẾ HèNH THÀNH CĐXM [7], [8], [27], [61]
1.3.5.1. Xi măng
Xi măng Pooclăng cũn gọi là xi măng silicat thành phần chủ yếu là cỏc muối silicat được nghiền từ Clinker và thạch cao tạo thành từ cỏc hạt nhỏ từ 1-100 àm, tổng diện tớch
bề mặt khoảng 300-550 m2/kg. Thành phần hoỏ học chớnh của xi măng Pooclăng gồm cú
CaO: 60-70%, SiO2: 17-25%, Al2O3: 2-8%, MgO: 0-6%, SO3: 1-4%, K2O: 0,2-1,5%,
Na2O: 0,2-1,5% ngoài ra cũn hàm lượng nhỏ TiO2, MnO2, P2O5…
Khi đem trộn xi măng với nước phản ứng hoỏ học bắt đầu xảy ra hỡnh thành hỗn hợp dạng keo. Cường độ hỗn hợp của xi măng phụ thuộc vào độ rỗng của nú và được xỏc định bằng tỷ số:
XM
N
Wcr 0 (1.1)
Trong đú N0 - Khối lượng nước đem trộn (m3).
XM - Khối lượng xi măng (Kg).
Hệ số Wcr cao → khoảng cỏch giữa cỏc phần tử hạt lớn→ độ rỗng lớn → cường
độ thấp.
Hàm lượng nước xi măng cũng là yếu tố quan trọng. Mối quan hệ giữa cường độ
và Wcr cũng đó nhiều tỏc giả nghiờn cứu thực nghiệm thử trờn mẫu thớ nghiệm.
Bảng 1.2 - Thành phần khoỏng vật chớnh của xi măng
Tờn gọi Cụng thức hoỏ học Ký hiệu
Tricalci silicat 3CaO.SiO2 C3S Dicalcium silicat 2CaO.SiO2 C2S Tricalci aluminat 3CaO.Al2O3 C3A Tretracalci aluminat ferrit 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF
Ghi chỳ: CaO: C SiO2: S Al2O3: A Fe2O3:F Khi trộn xi măng với nước quỏ trỡnh thuỷ hoỏ, ninh kết và sinh nhiệt bắt đầu xảy ra. Lượng nhiệt sinh ra nhiều nhất trong khoảng 10-20 giờ sau khi trộn do cỏc phản ứng Aluminat và Silicat. Sau giai đoạn này sự sinh nhiệt sẽ giảm do hầu hết cỏc chất
tham gia phản ứng đó hết. Theo Taylor (1990) tổng lượng nhiệt sinh ra khoảng 450
kJ/kg. Khoảng ẵ xi măng sẽ phản ứng hết sau 3 ngày, 60% sau 7 ngày và 90% sau 3
thỏng. Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào hàm lượng C3S/C2S do C3S cú tốc độ phản ứng
nhanh cũn C2S làm cho xi măng phản ứng chậm.
a. Sự hydrat hoỏ Calci silicat (C3S,C2S)
C3S tỏc dụng với nước nhanh chúng giải phúng cỏc Calcium và hỡnh thành ion
hydroxit làm tăng độ pH >12. Khi sự tập trung ion calci và hydroxit đạt tới ngưỡng nào đú sẽ hỡnh thành kết tủa, trong khi lớp calci silicat hydrat (CSH) được hỡnh thành tạo
thành lớp trờn bề mặt của cỏc hạt C3S.Sự phỏt triển của lớp CSH này làm ngăn cản lớp
nước tiếp xỳc và thuỷ hoỏ C3S.Phản ứng thuỷ hoỏ này phụ thuộc vào nhiệt độ.
Quỏ trỡnh thuỷ hoỏ C2S tương tự nhưng chậm hơn do tớnh phản ứng của nú.
Phản ứng này như sau:
2C3S + 7H → C3S2H4 + CH (1.2)
2C2S + 5H → C3S2H4 + CH (1.3)
C3S2H4 là dạng keo CSH và cú cường độ cao nhất, trong khi CH cú vai trũ thứ yếu.
Theo Bogue (1995) lượng nhiệt phỏt sinh trong quỏ trỡnh thủy húa C3S khoảng
500kJ/kg và C2S là khoảng 260kJ/kg.
Với xi măng khụng chứa thạch cao (CS’H2) do đú khụng cú sulfat, phản ứng thuỷ
hoỏ C3A ngay lập tức tạo thành Calcium Aluminate hyrate (CAH) đồng thời xảy ra
quỏ trỡnh ninh kết xi măng ngay sau đú.
Cho thờm thạch cao vào làm giảm tốc độ phản ứng và giảm tốc thời gian ninh
kết.Sự cú mặt của thạch cao làm C3A phản ứng ngay với nước, thạch cao tạo thành
ettrigit (C6 AS’3 H32).
C3A + 3CS’H2 → C6 AS’3H32 (2.4)
Một phần nhỏ C3S sẽ phản ứng với nước chỉ trong một vài phỳt tạo thành ettrigit và
bao phủ cỏc hạt xi măng tạo thành hàng rào ngăn cản sự tiếp xỳc của cỏc hạt xi măng với nước làm phản ứng trở nờn bị hạn chế và diễn ra với tốc độ chậm.Ettringite chỉ ổn định khi cú hàm lượng sulfat lớn, thường chỉ diễn ra trong 24h đầu. Khi hàm lượng sulfat giảm xuống, ettringit sẽ chuyển sang dạng monosulfat, cỏc hàng rào ngăn cỏch này sẽ bị bẻ gẫy, phản ứng lại tiếp tục diễn ra:
3C3A + 3C6 AS3H32 + 4H → C3ASH12 (2.5)
Theo Bogue (1995) lượng nhiệt phỏt sinh trong phản ứng thủy húa C3A là khoảng
870kJ/kg. [8]
Trường hợp monosulfat sau đú phõn lý thành cỏc ion ettringite cú thể tỏi hỡnh thành.
C3ASH12 + 2CSH2 + 16H → C6AS3H32 (2.6)
c. Sự hydrat húa Tetracalci Alumino (C4AF)
Sự hydrat húa ferrit tương tự như C3A nhưng cú tốc độ chậm và lượng nhiệt phỏt
sinh ớt hơn (420 kJ/kg ). Nếu cú mặt của thạch cao, cỏc hợp chất giàu sulfat phản ứng tạo thành ettringit sẽ xảy ra tạo thành nhiều hợp chất sulfat đầu tiờn.
3C4AF + 12 CSH2 + 110 H → 4[C6 (A,F)S3H32 +2(A,F)H3] (2.7)
Khi hàm lượng sulfat ớt thỡ phản ứng sẽ tạo thành hợp chất nghốo sulfat
3C4AF + 2[C6(A,F)S3H32 + 14 H] → 6[C4(A,F)SH12 + 2(A,F)H3] (2.8)
1.3.5.2. Cơ chế phản ứng của xi măng với cỏc loại đất
Bản chất của việc gia cố là làm xảy ra cỏc phản ứng húa lý làm gia tăng cường độ của đất, cần làm nhỏ đất đến trạng thỏi tơi mịn, rồi phõn phối đều xi măng vào trong
đất để xảy ra cỏc phản ứng làm tăng cường độ hỡnh thành cỏc cấu trỳc mới của đất sau gia cố. Ngoài ra, quỏ trỡnh phản ứng làm giảm lượng nước trong đất nờn hiệu quả gia cố cũng được tăng nhanh.
Cỏc phản ứng húa lý xảy ra gồm cú: + Phản ứng thủy húa xi măng với nước.
+ Phản ứng puzzolan giữa cỏc thành phần khoỏng vật puzzolan trong đất với Ca(OH)2.
+ Phản ứng trao đổi ion.
Tuy nhiờn, lượng xi măng đưa vào phải vượt ngưỡng nào đú, đủ để lấp đầy cỏc lỗ rỗng trong đất và cựng với đất tạo thành một kết cấu (xương khung cốt) cú khả năng chịu lực.Nếu nhỏ hơn giỏ trị này thỡ hiệu quả gia cố là rất thấp.
Ngoài ra, hiệu quả gia cố cũn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: Loại đất, chủng loại, hàm lượng, tỷ lệ chất gia cố… Nhiều nghiờn cứu đó chỉ ra việc gia cố khụng cú hiệu quả cao đối với đất bựn và than bựn cú độ rỗng và hàm lượng hữu cơ cao.
a. Phản ứng puzzolan giữa cỏc thành phần khoỏng vật puzzolan trong đất với Ca(OH)2
Bản chất của phản ứng puzzolan là khoỏng vật nhụm, silic… trong đất sẽ tỏc
dụng với Ca(OH)2 trong điều kiện nhất định để tạo ra CSH, CASH (calci aluminat
silicat hydrat) biểu diễn bằng phương trỡnh húa học sau:
Ximăng + H2O → CSH + Ca(OH)2 (2.9)
CaO + H2O → Ca(OH)2 (2.10)
Ca(OH)2 +puzzlan + H2O → CSH(CASH) (2.11)
Thành phần húa học của CASH rất đa dạng gồm C2ASH2, C4AHx (stratlingit hay
straetlinhit) và một loạt cỏc hợp chất từ C3AH6 đến C3ASH2 (hydrogarnet), hàm lượng
của chỳng phụ thuộc nhiều vào thành phần khoỏng vật của đất.
Ở điều kiện bỡnh thường phản ứng puzzolan rất chậm, tuy nhiờn phản ứng thủy húa xi măng sinh nhiệt rất lớn đúng vai trũ quan trọng trong việc kớch thớch và xỳc tỏc phản
ứng puzzolan: 100g xi măng tỏc dụng với 25g nước tạo ra 100g CSH và 25g Ca(OH)2.
Nếu C2ASH2, C4AHx (stratlingit hay straetlingit) được hỡnh thành trong cỏc phản
đất tham gia hết trong phản ứng puzzolan lượng sản phảm phản ứng lớn hơn khối lượng đất gia cố thờm vào.
Đất và cỏc khoỏng vật puzzolan sẽ phản ứng với Ca(OH)2 tạo thành C2ASH2,
C4AHx (stratlingit hay straetlingit). Nếu hàm lượng khoỏng vật puzzolan trong đất thấp
sẽ mất nhiều thời gian. Tốc độ phản ứng này phụ thuộc vào nhiệt độ và bề mặt tiếp xỳc
giữa đất và Ca(OH)2.Điều này cũng phụ thuộc vào phương phỏp trộn chất gia cố trong
đất. Để làm nhanh tốc độ phản ứng cần thiết làm diện tớch tiếp xỳc của đất với
Ca(OH)2 càng lớn. Để tốc độ phản ứng diễn ra nhanh cần đảm bảo cú nhiều khoỏng
vật puzzolan trong đất được tiếp xỳc với Ca(OH)2
Cường độ CĐXM nhanh chúng đạt dược sau vài tiếng. Nhiều kết quả nghiờn cứu cho thấy tốc độ phản ứng puzzolan phụ thuộc vào thời gian và hàm lượng cỏc khoỏng vật puzzolan trong đất.
Tuy vậy tốc độ phản ứng khụng phản ỏnh hết cường độ của đất sau gia cố mà cũn chịu tỏc động bởi nhiều yếu tố khỏc như hiệu quả lấp đầy cỏc lỗ rỗng trong đất và mức độ bao quanh cỏc hạt đất của sản phẩm phản ứng.
b. Phản ứng trao đổi ion
Cỏc phản ứng trao đổi ion sẽ làm thay đổi kiến trỳc kết cấu của đất, làm biến đổi cỏc ion phõn tỏn cú tớnh dẻo thấp sang dạng kết bụng cú tớnh dẻo cao.
Trờn bề mặt cỏc phần tử hạt sột tồn tại cỏc ion dương (cation) thường là cỏc ion
Na+ hoặc K+.Khi chất gia cố xi măng được trộn vào sẽ hỡnh thành cỏc ion mới (ion õm)
khỏc biệt về dấu với cỏc phõn tử ion dương trong phõn tử hạt sột. Phản ứng trao đổi ion sẽ diễn ra, cỏc ion sẽ bỏm bụi lờn bề mặt đất sột tạo nờn cỏc kết cấu dạng bụng hỡnh thành nờn sự thay đổi rừ ràng về thành phần hạt.
Hiệu quả của phản ứng trao đổi ion này phụ thuộc vào khối lượng cỏc ion trong đất, tổng diện tớch bề mặt tiếp xỳc của cỏc hạt đất và nguồn gốc tạo thành.
c. Trường hợp gia cố sõu đối với đất sột, bụi sột
Khi xi măng tiếp xỳc với nước phản ứng thủy húa lập tức xảy ra với vận tốc khỏ nhanh (khoảng 50% sau 3 ngày, 60% sau 7 ngày, 90% sau 3 thỏng) tạo thành CSH dạng keo đúng vai trũ là chất làm tăng cường độ.
Cựng với đú là phản ứng puzzolan giữa đất và Ca(OH)2. Tuy nhiờn tốc độ phản ứng này chậm hơn nhiều so với phản ứng thủy húa đồng thời phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ (nhiệt độ càng cao thỡ tốc độ càng nhanh). Quỏ trỡnh thủy húa xi măng làm
nhiệt độ tăng 5-10oC, khi phản ứng kết thỳc thỡ nhiệt độ lại giảm xuống rất nhanh. Tuy
nhiờn ở mức độ nào đú, sự gia tăng nhiệt độ này tạo điều kiện thỳc đẩy phản ứng puzzolan.
Hiệu quả quỏ trỡnh gia cố đất bụi sột phần lớn dựa vào cường độ của hỗn hợp keo CSH. Việc xử lý đất yếu sẽ làm xuất hiện một lớp mỏng xung quanh cọc và nền đất khụng gia cố bị chảy dẻo. Sự xuất hiện vựng chảy dẻo này gõy ảnh hưởng đến sự làm việc chung của hệ cọc và nền đất. Một số nghiờn cứu đó chỉ ra sự xuất hiện cỏc vựng chảy dẻo này chưa thực sự rừ ràng. Cú thể do sự cú mặt của CĐXM cú tớnh thủy húa cao làm giảm nước vựng xung quanh này hoặc cú thể do đất sột dễ bị vỡ vụn khi bị hỳt nước. Tuy nhiờn vựng chảy dẻo sẽ được giảm nhẹ nếu cho thờm vụi khụ vào.
d. Trường hợp gia cố sõu đối với đất bựn và than bựn
Với đất bựn và than bựn thường yờu cầu lượng chất gia cố lớn hơn so với đất sột và bụi sột do độ rỗng lớn và hàm lượng nước cao.Tỷ lệ nước lớn làm giảm hàm lượng nước/xi măng đưa vào dẫn đến giảm cường độ. Để làm tăng cường độ cần giảm nước/xi măng do vậy cần nhiều chất gia cố hơn.
Khi đưa xi măng vào tiếp xỳc với nước và xảy ra cỏc phản ứng húa học tạo thành
cỏc chất keo CSH và Ca(OH)2. Do đất bựn và than bựn cú hàm lượng hữu cơ cao hơn
và chứa nhiều cỏc axit hữu cơ nhiều hơn so với đất sột và bụi sột, sẽ phản ứng với
Ca(OH)2 tạo thành cỏc kết tủa khụng tan, ngăn cản phản ứng puzzolan. Cỏc axit hữu
cơ này cũng làm giảm độ pH dẫn đến sự phỏt triển cường độ giảm. Tuy nhiờn xi măng ớt nhạy cảm với cỏc axit hữu cơ này hơn đối với vụi do keo CSH vẫn cú thể được hỡnh
thành trong điều kiện Ca(OH)2 đó phản ứng hết với cỏc axit hữu cơ cú trong đất.
1.3.6. Cụng nghệ thi cụng CĐXM
1.3.6.1. Đặc điểm cụng nghệ [14], [36] , [37]
CĐXM được tạo thành bằng phương phỏp khoan trộn sõu DMM. Dựng mỏy khoan và cỏc dụng cụ chuyờn dựng (cần khoan, mũi khoan…) khoan vào đất với đường kớnh và chiều sõu lỗ khoan theo thiết kế. Đất trong quỏ trỡnh khoan khụng được
lấy lờn khỏi lỗ khoan mà bị làm tơi xốp để trộn với chất gia cố là xi măng. Thiết bị thi cụng CĐXM khỏ đơn giản: bao gồm một mỏy khoan với hệ thống lưỡi cú đường kớnh thay đổi tuỳ thuộc theo đường kớnh cọc được thiết kế và cỏc xi lụ chứa xi măng cú gắn mỏy bơm nộn với ỏp lực lờn tới 120 KPa. Cỏc mỏy khoan của một số nước như Thụy Điển và Trung Quốc… cú khả năng khoan sõu đạt đến 35 m và tự động điều chỉnh định vị cần khoan luụn thẳng đứng. Trong quỏ trỡnh khoan lưỡi được thiết kế để trộn đất và xi măng, xi măng khụ được phun định lượng liờn tục và trộn đều tạo thành những CĐXM đường kớnh theo thiết kế.
Hỡnh 1.10-Mụ tả phương phỏp thi cụng CĐXM
Khi mũi khoan được rỳt lờn khỏi hố khoan, trong hố khoan cũn lại đất đó được trộn đều với chất kết dớnh dần dần đụng cứng tạo thành CĐXM
1.3.6.2. Phương phỏp trộn khụ [14], [46], [50]
Phương phỏp trộ khụ DJM (Dry Jet Mixing) là quỏ trỡnh phun trộn xi măng khụ với đất cú hoặc khụng cú chất phụ gia. Phương phỏp này đó được ỏp dụng từ những thập niờn 70 của thế kỷ XX ở cỏc nước Bắc Âu và Nhật bản. Ngày nay đó được ỏp dụng rộng rói khắp trờn thế giới.
Ưu điểm của cụng nghệ trộn khụ là cỏc thiết bị thi cụng đơn giản, khụng gõy ụ nhiểm mụi trường, hàm lượng xi măng sử dụng ớt, quỏ trỡnh kiểm soỏt chất lượng đơn giản. Nhược điểm là khụng phự hợp với đất cú lẫn tạp chất, cuội sỏi, khụng thi cụng được trong mụi trường ngập nước và chiều sõu xử lý chỉ nằm trong phạm vi 20 m trở lại.
Hỡnh 1.11-Sơđồ cấu trỳc cỏnh trộn phương phỏp DJM theo cụng nghệ Nhật Bản
1.3.6.3. Phương phỏp trộn ướt [6], [36], [40], [50].
Là quỏ trỡnh bơm vữa xi măng trộn với đất cú sử dụng hoặc khụng cỏc chất phụ gia. Đõy cú thể gọi là quỏ trỡnh bờ tụng húa đất, nhờ cú cỏc tia nước và vữa phun ra với ỏp suất lớn mà cỏc phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xúi tơi và trộn đều với đất tự nhiờn tạo thành hỗn hợp đồng nhất xi măng – đất. Cụng nghệ này bắt đầu được ứng dụng đầu tiờn ở Nhật bản, sau đú là ở cỏc nước Đức, Mỹ, Úc... và ngày nay cũng đó phổ biến rộng khắp trờn thế giới.
Hỡnh 1.12-Mụ tả phương phỏp trộn ướt (WJM)
Ưu điểm của phương phỏp trộn ướt thể hiện ở cỏc điểm sau: thớch hợp với mọi loại đất, cú thể xử lý lớp đất yếu 1 cỏch cục bộ; chất lượng hỗn hợp xi măng – đất tốt hơn so với trường hợp trộn khụ.
Nhược điểm là cú yếu tố nước và vữa xi măng nờn cú thể gõy ụ nhiểm mụi trường; ngoài ra do phải sử dụng tia nước, vữa cú ỏp lực cao nờn cú thể phỏ hoại cỏc cấu trỳc của đất lõn cận hoặc múng cụng trỡnh đó xõy dựng.
1.3.6.4. Bố trớ CĐXM [13], [16], [17, [18]
Tựy theo mục đớch sử dụng cú thể bố trớ cọc theo cỏc sơ đồ khỏc nhau. Để giảm độ lỳn bố trớ đều theo lưới tam giỏc hoặc lưới ụ vuụng; để làm tường chắn thường tổ chức thành dóy. Trong đú sơ đồ lưới ụ vuụng được dựng nhiều nhất được dựng hầu hết cho cỏc dự ỏn xử lý đất yếu
Hỡnh 1.13- Giải phỏp cọc chống hoặc cọc treo
Hệ CĐXM cú thể được bố trớ theo sơ đồ cọc treo (cọc khụng xuyờn suốt chiều dày lớp đất yếu) hoặc cọc chống (cọc xuyờn suốt chiều dày lớp đất yếu) tựy theo đặc
điểm địa chất của cỏc lớp đất tốt phớa dưới tầng đất yếu (Hỡnh 1.13).
1.4. NHỮNG TỒN TẠI TRONG QUÁ TRèNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CĐXM VÀ KIẾN NGHỊ HƯỚNG GIẢI QUYẾT
Trờn cơ sở phõn tớch về phương phỏp tớnh toỏn thiết kế và xem xột hồ sơ thiết kế