Luận văn thạc sĩ: Ảnh hưởng của tro bay tới hỗn hợp đất trộn vôi và trộn xi măng ở Cần Thơ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích địa kỹ thuật xây dựng ảnh hưởng của tro bay tới hỗn hợp đất trộn vôi và trộn xi măng ở cần thơ, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Minh Thái
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Thanh Hải
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Ảnh Hưởng Của Tro Bay Đến Hỗn Hợp Đất Trộn Vôi Và Xi Măng Trong Địa Kỹ Thuật Xây Dựng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về tro bay và hỗn hợp đất trộn vôi xi măng

Tro bay là sản phẩm phụ từ quá trình đốt than trong các nhà máy nhiệt điện, đặc biệt là nhà máy nhiệt điện Ô Môn tại Cần Thơ. Lượng tro bay thải ra hàng năm lên tới vài triệu tấn, gây ra nhiều vấn đề về ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng tro bay trong xây dựng, đặc biệt là trong hỗn hợp đất trộn vôi và xi măng, không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tiết kiệm chi phí. Nghiên cứu cho thấy rằng việc trộn tro bay với vôi và xi măng có thể cải thiện cường độ chịu nén của đất, mặc dù hàm lượng tro bay cao có thể làm giảm cường độ này. Theo nghiên cứu, việc tối ưu hóa tỉ lệ tro bay trong hỗn hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tốt nhất trong xây dựng.

1.1. Ảnh hưởng của tro bay đến cường độ hỗn hợp đất

Nghiên cứu cho thấy rằng tro bay có thể làm giảm cường độ chịu nén của hỗn hợp đất trộn. Tuy nhiên, theo thời gian, cường độ của hỗn hợp có thể gia tăng. Một số mẫu cho thấy cường độ giảm trong giai đoạn giữa (từ 14 đến 28 ngày) nhưng sau đó lại tăng lên. Điều này cho thấy rằng việc bảo dưỡng mẫu trong thời gian dài là cần thiết để đạt được cường độ tối ưu. Độ ẩm của mẫu cũng đóng vai trò quan trọng, với tỉ lệ 50% đến 70% là lý tưởng cho việc trộn. Việc nghiên cứu này không chỉ có giá trị trong việc cải thiện cường độ của nền đất mà còn có thể ứng dụng trong các công trình xây dựng thực tế.

II. Cơ sở lý thuyết về cường độ chịu nén đơn

Cường độ chịu nén đơn là một trong những chỉ tiêu quan trọng trong địa kỹ thuật xây dựng. Việc xác định cường độ này giúp đánh giá khả năng chịu tải của nền đất. Trong nghiên cứu này, tro bay được sử dụng như một thành phần trong hỗn hợp đất trộn vôi và xi măng nhằm cải thiện cường độ chịu nén. Các phương pháp tính toán cường độ dựa trên lý thuyết về cường độ chịu nén đơn đã được áp dụng để phân tích và đánh giá hiệu quả của việc sử dụng tro bay trong xây dựng. Kết quả cho thấy rằng việc trộn tro bay với vôi và xi măng có thể tạo ra một hỗn hợp có cường độ cao hơn so với việc sử dụng riêng lẻ các thành phần này.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén

Cường độ chịu nén của hỗn hợp đất trộn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tỉ lệ tro bay, vôi, và xi măng. Nghiên cứu cho thấy rằng tỉ lệ tối ưu giữa các thành phần này có thể tạo ra hỗn hợp có cường độ cao nhất. Ngoài ra, thời gian bảo dưỡng cũng ảnh hưởng đến cường độ, với các mẫu được bảo dưỡng lâu hơn thường có cường độ cao hơn. Việc kiểm soát độ ẩm trong quá trình trộn cũng là một yếu tố quan trọng, vì độ ẩm quá cao hoặc quá thấp có thể làm giảm hiệu quả của hỗn hợp. Do đó, việc nghiên cứu và xác định các yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa quy trình xây dựng.

III. Quy trình chế biến và thử nghiệm

Quy trình chế biến mẫu đất trộn vôi và xi măng với tro bay bao gồm các bước chuẩn bị nguyên liệu, trộn, và thử nghiệm cường độ. Các mẫu được chế biến theo tỉ lệ khác nhau của tro bay, vôi, và xi măng để xác định tỉ lệ tối ưu. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng cường độ của mẫu đất trộn có sự khác biệt rõ rệt tùy thuộc vào tỉ lệ các thành phần. Việc thử nghiệm cường độ chịu nén đơn được thực hiện theo tiêu chuẩn quốc tế, đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Kết quả cho thấy rằng mẫu đất trộn với tỉ lệ tro bay hợp lý có thể đạt được cường độ cao, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong xây dựng.

3.1. Kết quả thử nghiệm và phân tích

Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng mẫu đất trộn với tỉ lệ tro bay từ 20% đến 30% có cường độ chịu nén cao nhất. Các mẫu với tỉ lệ tro bay cao hơn thường có cường độ giảm, điều này cho thấy rằng cần phải cân nhắc kỹ lưỡng khi lựa chọn tỉ lệ tro bay trong hỗn hợp. Ngoài ra, các mẫu được bảo dưỡng trong thời gian dài cho thấy sự gia tăng cường độ rõ rệt, điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc bảo dưỡng trong quá trình thi công. Kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có thể áp dụng vào thực tiễn xây dựng, giúp cải thiện chất lượng công trình.

IV. Ứng dụng kết quả thí nghiệm vào thực tiễn

Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của tro bay đến hỗn hợp đất trộn vôi và xi măng có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong xây dựng. Việc sử dụng tro bay không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tiết kiệm chi phí cho các công trình xây dựng. Các công trình có tải trọng vừa và nhỏ, đặc biệt là trên nền đất yếu, có thể được cải thiện đáng kể về cường độ và độ ổn định khi sử dụng hỗn hợp này. Nghiên cứu cũng mở ra hướng đi mới cho việc xử lý tro bay, biến nó thành một nguồn tài nguyên có giá trị trong xây dựng.

4.1. Tính khả thi và triển vọng ứng dụng

Việc ứng dụng tro bay trong xây dựng không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Các công trình xây dựng có thể giảm thiểu lượng chất thải từ tro bay, đồng thời cải thiện chất lượng nền đất. Nghiên cứu này cũng khuyến khích các nhà đầu tư và kỹ sư xây dựng xem xét việc sử dụng tro bay như một giải pháp bền vững cho các vấn đề về nền đất yếu. Tương lai, việc nghiên cứu sâu hơn về các tác động môi trường của tro bay trong xây dựng sẽ là cần thiết để đảm bảo rằng các ứng dụng này không chỉ hiệu quả mà còn an toàn cho sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẤT TRỘN VÔI – TRO BAY VÀ ĐẤT TRỘN XI MĂNG – TRO BAY Các loại đất sét yếu ở đồng bằng Sông Cửu Long có cường độ chịu nén nhỏ có thể gia tăng cường độ này bằng cách trộn đất với vôi – tro bay hay xi măng – tro bay. Mẫu sau khi trộn sẽ làm gia tăng cường độ chịu nén của đất nền. Tuy nhiên, sự có mặt của tro bay có thể làm giảm cường độ chịu nén của hỗn hợp mẫu sau khi trộn.

Chính vì vậy, cần phải khảo sát và nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến cường độ chịu nén của mẫu sau khi trộn. Nhưng phải dựa trên cơ sở đã nghiên cứu trước đó để làm tiền đề cho sự nghiên cứu tiếp theo. Một số kết quả nghiên cứu trước đó về đất trộn vôi, đất trộn xi măng và đất trộn vôi – xi măng: 1.1 Một số nghiên cứu trên thế giới: Theo ông Ahnberg cùng các cộng sự năm 1994, kết quả thử nghiệm trong phòng bằng công nghệ của Thụy Điển cho con đường ở I-95/Route 1 Interchange in Alexandria, Virginia, 1 tiểu bang ở Mỹ cho thấy đất sét quickclays và clayey silts dễ dàng xử lý, trong khi đó sét hữu cơ organic clays và bùn sét (peat) rất khó xử lý.1 cho thấy cường độ của 1 số loại đất được xử lý sau khi ổn định 14 ngày với 100kg/m3 phụ gia. Đất cố kết thường và đất yếu có sức kháng cắt không thoát nước từ 5 đến 30kpa.1: Ảnh hưởng xi măng, vôi-xi măng (25:75) và vôi 14 ngày sau khi ổn định của các loại đất khác nhau trong phòng thí nghiệm.

-4- Và lượng gia tăng cường độ thể hiện ở hình 1.2: Ảnh hưởng của sức kháng cắt cho 3 loại đất khác nhau với các hàm lượng khác nhau Theo ông Kosmatka (1994) cường độ với thời gian cho 2 loại vôi quicklime và hydrated lime không có sự khác biệt lớn về cường độ (Hình 1.1: Hydrated lime Bảng 1.3: Quicklime (CaO) và Hydrated lime (Ca(OH)2) Cường độ và thời gian cho 2 loại xi măng khác nhau có sự khác biệt (Hình 1.3:Xi măng loại 1 -7- Bảng 1.4: Xi măng loại 2 Hình 1.4: Cường độ tăng theo thời gian của 2 loại Xi măng -8- Ảnh hưởng cường độ và thời gian theo hàm lượng vôi xi măng (25:75) minh họa hình 1.5: Cường độ tăng theo thời gian với tỉ lệ vôi – Xi măng (25:75) Ảnh hưởng cường độ và thời gian theo hàm lượng vôi xi măng (50:50) minh họa hình 1.6: Cường độ tăng theo thời gian với tỉ lệ vôi – xi măng (50:50) -9- Cường độ theo thời gian của vôi – xi măng với liều lượng 200kg/m3 (hình 1.7: Cường độ theo thời gian của hàm lượng 200kg/m3 vôi – xi măng.2 Một số nghiên cứu ở Việt Nam: Theo tiến sĩ Lê Bá Vinh “Ứng dụng giải pháp cột đất vôi – xi măng để gia cố nền đất yếu” nêu rõ: Trong điều kiện nền đất yếu có chiều dày lớn, đã có nhiều giải pháp hữu hiệu để xử lý, gia cố nền đất yếu, và giải pháp cột đất - vôi - ximăng là một trong số các giải pháp đó. Trên thế giới, giải pháp này đã được ứng dụng khá lâu ở nhiều nước như Thụy Điển, Pháp, Nhật, Mỹ,… và đã thu được nhiều kết quả khả quan. Ở nước ta, giải pháp này đã được ứng dụng nhiều trong vòng 5 năm gần đây ở nhiều loại công trình như: khu thương mại Vĩnh Trung Plaza ở Đà Nẵng, đại lộ Đông - Tây ở Tp. Hồ Chí Minh, kho xăng dầu Nhà Bè, sân bay Cần Thơ,… Từ thực tế các công trình này cho thấy giải pháp cột đất - ximăng bước đầu có thể ứng dụng tốt và là giải pháp hợp lý cho nền móng của nhiều loại công trình ở nước ta.

Phương pháp trộn có thể tạo ra cột đất + vôi/ximăng có tiết diện ngang thay đổi theo chiều sâu phù hợp với điều kiện cụ thể của đất. Đất sau khi được trộn với vôi/ximăng để tạo nên các trụ hỗn hợp đất + vôi/ ximăng đem lại sự tăng cao sức chống cắt cho nền và làm giảm tính biến dạng của nền. Sự tăng cao sức chống cắt trong nền chủ yếu xãy ra trong các cột đất + vôi/ximăng: là nơi xãy ra các phản ứng hoá học (vôi/ximăng). - 10 - Ngoài ra sự tăng sức chống cắt cũng xãy ra trong đất nền xung quanh các cột đất + vôi/ximăng do một lượng nước mất đi do sự thủy hóa vôi tạo ra nhiệt lượng lớn làm bốc hơi nước trong đất yếu.

Theo Nguyễn Mạnh Thủy, Ngô Tấn Phong Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG- HCM nghiên cứu về gia cố đất yếu khu vực Q9 Tp HCM bằng vôi, ximăng đăng trên Science & Technology Development, Vol 10, No.10 - 2007 kết quả cho thấy: - Về độ ẩm: Kết quả thí nghiệm cho thấy mức giảm độ ẩm của đất tương ứng với mức tăng của tổng hàm lượng chất kết dính. Hàm lượng chất kết dính càng cao, mức giảm độ ẩm của đất càng lớn (Bảng 5). Thống kê kết quả phân tích độ ẩm của 16 mẫu đất vôi xi măng đất sau 28 ngày bảo dưỡng cho thấy độ giảm trung bình của độ ẩm so với độ ẩm ban đầu là 16,1%. Độ giảm độ ẩm lớn nhất của mẫu M00-20-0 là 24,6% và nhỏ nhất là của mẫu M08-04-0 tương ứng là 9,5%.5 Sự thay đổi độ ẩm của hổn hợp vôi xi măng trước và sau khi thí nghiệm - Khi trộn riêng đất – vôi với tỷ lệ 4, 8, 12 và 20%, kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ của hỗn hợp đất – vôi tăng dần theo tỷ lệ vôi, tuy nhiên, độ tăng cường độ của hỗn hợp tương đối nhỏ.

Các mẫu có tỷ lệ vôi 4% như mẫu M04-00-0, M08-00-0, giá trị cường độ nén đơn rất nhỏ, hầu như không xác định được. Khi hàm lượng vôi tăng lên đến 20%, mẫu M20-00-0, cường độ nén đơn của mẫu cũng rất thấp, chỉ đạt giá trị là 1,16 kG/cm2 sau 28 ngày bảo dưỡng (hình 1.8 cường độ của hỗn hợp đất – vôi tăng dần theo tỷ lệ vôi - Trường hợp trộn riêng đất với măng, kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ nén đơn của hỗn hợp đất – xi măng phụ thuộc vào hàm lượng xi măng, tuy nhiên, nếu hàm lượng xi măng nhỏ hơn 12% thì sự gia tăng cường độ của đất cũng rất nhỏ, chỉ đạt tới 0,92 kG/cm2 (mẫu M00-12-0). Khi hàm lượng xi măng tăng lên đến 20% thì cường độ nén đơn của mẫu tăng lên đáng kể, đạt giá trị 3,8 kG/cm2 (mẫu M00-20-0). Các kết quả thí nghiệm được thể hiện trên hình 1.9 cường độ của đất – xi măng phụ thuộc vào hàm lượng xi măng - Trong trường hợp trộn đất – vôi – xi măng, kết quả nghiên cứu cho thấy, cường độ nén đơn của hỗn hợp tăng theo tỷ lệ tăng của các chất kết dính.

Tuy nhiên, giá trị cường độ nén đơn của mẫu cũng không cao, với tỷ lệ vôi: xi măng là 8%: 12% (M08-12- 0) cường độ nén đơn của mẫu sau 28 ngày bảo dưỡng chỉ đạt 1,46 kG/cm2 (hình 1. Như vậy, sự kết hợp vôi và xi măng để gia cố đất yếu khu vực này vẫn chưa đạt hiệu quả cao.10 cường độ đất vôi– xi măng tăng dần theo thời gian Theo Võ Văn Đấu trường Đại học Bách Khoa TP HCM nghiên cứu về cường độ kháng cắt của đất trộn vôi, đất trộn xi măng và đất trộn vôi – xi măng ở Cần Thơ cho thấy kết quả như sau: Bảng 1.6 : Kết quả thí nghiệm mẫu đất trộn vôi và đất trộn xi măng Hàm Cường Ký Dung Biến STT lượng vôi - Tuổi Độ ẩm độ chịu hiệu mẫu trọng dạng xi măng nén % vôi – ngày % g/cm3 kPa % % xi măng 1 ND Nguyên dạng 72,44 1,47 19,55 14,64 2 M-0-8 0-8 7 64,65 1,52 185,847 1,2 3 M-0-8 0-8 28 58,47 1,57 325,804 1,2 4 M-8-0 8-0 7 60,93 1,51 175,426 2 5 M-8-0 8-0 28 60,13 1,49 322,384 2 - 13 - 6 M-0-12 0-12 7 57,68 1,64 269,663 1,2 7 M-0-12 0-12 28 49,27 1,58 570,126 1,6 8 M-12-0 12-0 7 59,51 1,53 236,547 1,2 9 M-12-0 12-0 28 50,94 1,54 538,95 1,6 10 M-0-15 0-15 7 61,09 1,62 369,404 1,6 11 M-0-15 0-15 28 51,16 1,54 688,072 2,8 12 M-15-0 15-0 7 48,88 1,65 339,68 1,2 13 M-15-0 15-0 28 43,88 1,65 660,86 3,6 Bảng 1.7 : Kết quả thí nghiệm mẫu đất trộn vôi - xi măng Hàm lượng Tuổi Dung Cường Biến Tổ hợp mẫu Độ ẩm vôi - xi măng ngày trọng độ chịu nén dạng TH %vôi - %xi % g/cm3 kPa % TH 8-4 8-4 28 53,93 1,53 587,77 1,5 TH 8-4 8-4 56 53,14 1,57 659,47 1 TH 8-8 8-8 7 63,96 1,67 384,77 1,2 TH 8-8 8-8 14 51,26 1,70 608,04 1,8 TH 8-8 8-8 28 50,32 1,69 714,05 1,5 TH 8-8 8-8 56 48,12 1,78 758,37 0,9 TH 8-12 8-12 7 52,18 1,69 457,36 1,5 TH 8-12 8-12 28 51,26 1,65 787,93 1,6 - 14 - Hàm lượng Tuổi Dung Cường Biến Tổ hợp mẫu Độ ẩm vôi - xi măng ngày trọng độ chịu nén dạng TH %vôi - %xi % g/cm3 kPa % TH 8-12 8-12 56 49,62 1,72 821,70 1,13 TH 12-4 12-4 28 52,12 1,64 661,32 1,6 TH 12-4 12-4 56 52,28 1,60 703,99 1 TH 12-8 12-8 7 52,27 1,65 494,90 1,5 TH 12-8 12-8 28 49,45 1,72 783,62 1,4 TH 12:8 12-8 56 49,76 1,71 832,15 1,83 TH 12-12 12-12 7 53,00 1,70 584,29 1,2 TH 12-12 12-12 14 49,69 1,71 768,08 1,8 TH 12-12 12-12 28 41,81 1,62 852,69 1,2 TH 12-12 12-12 56 40,91 1,66 918,16 1,37 TH 15-4 15-4 28 52,75 1,65 686,69 1,1 TH 15-4 15-4 56 52,51 1,66 732,65 1,3 TH 15-8 15-8 7 50,16 1,73 542,96 1,3 TH 15-8 15-8 14 50,32 1,69 695,48 1,7 TH 15-8 15-8 28 49,22 1,73 809,54 1,3 TH 15-8 15-8 56 42,02 1,71 845,60 1,52 TH 15-12 15-12 7 50,47 1,68 675,25 1,6 TH 15-12 15-12 14 50,16 1,69 750,32 1,6 - 15 - Hàm lượng Tuổi Dung Cường Biến Tổ hợp mẫu Độ ẩm vôi - xi măng ngày trọng độ chịu nén dạng TH %vôi - %xi % g/cm3 kPa % TH 15-12 15-12 28 42,59 1,70 906,15 1,4 TH 15-12 15-12 56 44,65 1,64 932,27 0,69 TH 15-15 15-15 14 51,88 1,69 827,69 2 TH 15-15 15-15 28 44,51 1,68 925,29 1,9 TH 15-15 15-15 56 42,70 1,59 932,27 1,19 Hình 1.