Chương 1- Giới thiệu chung: Giới thiệu các vấn đề liên quan về đề tài nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu. Chương 2- Tổng quan: Giới thiệu phương pháp gia cố đất, cơ chế hình thành cường độ, các nghiên cứu trong và ngoài nước. Chương 3- Thiết kế cấp phối đất gia cố: Trình bày các cơ sở lý thuyết phục vụ cho tính toán và thí nghiệm đánh giá chất lượng đất gia cố trong phòng trình bày các kết quả từ thực nghiệm. Chương 4- Đánh giá chất lượng vật liệu đất gia cố: Đánh giá chất lượng vật liệu đất gia cố bằng các thí nghiệm trong phòng về các chỉ tiêu cơ lý được trình bày.
Chương 5- Kết luận và kiến nghị: Các kết luận chính từ các thí nghiệm đánh giá chất lượng, một số kiến nghị và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.1 Giới thiệu phương pháp đất gia cố Ngay từ thế kỷ 17, tại nước Nga, người ta đã sử dụng đất sét có cho thêm vôi để xây dựng pháo đài Ivangorotski. Từ năm 1912, việc sử dụng đất á cát trộn thêm xi măng khi xây dựng đường trong công viên. Đến năm 1925 việc nghiên cứu mới trở nên toàn diện và thay đổi dần tính chất cơ lý các loại đất để sử dụng chúng làm tầng mặt hoặc tầng móng đường trong Viện nghiên cứu khoa học đường bộ được M.Philatop tiến hành ở Matxcova và V.V Okhotin tiến hành ở Leningrad. Các nước như Liên Xô, Đức, Ấn Độ, Mỹ cho thấy rằng kết cấu áo đường với phương pháp gia cố bằng vôi và xi măng vẫn được khai thác tốt đến hai ba mươi năm.
Tùy vào từng loại đất, người ta đã bổ sung thêm các loại phụ gia để việc gia cố nhanh đạt hiệu quả hơn, ví dụ như: vôi bột, clorua-canxi, silicatnatri, thạch cao, các muối dễ tan hoặc các chất hoạt tính bề mặt… được bổ sung thêm vào đất gia cố xi măng. Các kết quả của Liên Xô và các nước đã cho kết quả là vôi thủy hóa hiệu quả với các loại đất sét, nhưng cường độ không cao như với các loại hỗn hợp đất đá dăm hay sỏi đỏ. Khi làm móng đường dùng tỷ lệ vôi khoảng 5- 10%, còn xây dựng các lớp đệm chỉ cần dùng 2-3% vôi. Viện Kỹ thuật giao thông, Trường Đại học Giao thông, Trường Đại học Xây dựng,…triển khai nghiên cứu với quy mô ngày càng lớn.
Nghiên cứu đề tài này được nhà nước quan tâm, được xem là đề tài quan trọng trong xây dựng công trình đường giao thông. Việc nghiên cứu ứng dụng ngày càng mở rộng đến các đơn vị địa phương với việc xây dựng thí điểm các đoạn đường gia cố vôi hay xi măng ở các tỉnh như: Hà Nội, Long An, Trà Vinh, Đồng Tháp,…[3] 6 Khu vực phía Bắc, việc nghiên cứu ứng dụng gia cố đất phổ cập từ vùng đồng bằng đến miền núi [3]. Khu vực Tây Nguyên và Đông Nam Bộ tiến hành nghiên cứu với các loại đất đỏ bazan và các loại đất bùn sét tại các tỉnh miền Tây. Chất kết dính vô cơ (bao gồm: vôi, xi măng) là phương pháp gia cố được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi đến thời điểm hiện tại.
Một số công trình thử nghiệm đất gia cố ở Việt Nam: [3] - Năm 1974, đoạn thí điểm trên đường Hàng Bột với kết cấu gồm có lớp móng dưới bằng đất gia cố 8% vôi, dày 18cm; lớp móng trên đất gia cố 12% vôi, dày 15cm; lớp mặt nhựa thấm nhập sâu dày 8cm. Kết quả đo cường độ chung của cả kết cấu từ năm 1974-1978 liên tục tăng lên, mặt đường làm việc tốt trong điều kiện lưu lượng xe cao. [3] - Đoạn đường thí điểm do Bộ Kiến trúc tiến hành tại thị xã Hưng Yên. Kết cấu tương đối đơn giản, chỉ gồm 1 lớp đất gia cố 18% vôi, trên láng nhựa 3kg/m2.
Tình trạng chung là đoạn đường đáp ứng được yêu cầu khai thác. [3] - Phân Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải Phía Nam kết hợp với Tổng Công ty Xây dựng tiến hành thi công thí điểm đoạn đường gia cố vôi tại Quốc lộ 62 - Long An bằng máy phay chuyên dùng CS-120. Kết cấu gồm có lớp móng dưới bằng đất gia cố 7% vôi, dày 20cm; lớp móng trên đất gia cố 10% vôi, dày 22cm; lớp mặt bê tông nhựa nóng dày 6cm. Cho đến nay mặt đường làm việc tốt trong điều kiện lưu lượng xe cao.
[3] Gần đây, tại An Giang sử dụng phương pháp đất trộn xi măng để thi công xây dựng mặt đường giao thông nông thôn phục vụ xe thô sơ và xe tải trọng nhỏ (≤2,5T) với loại đất cát san lấp trộn xi măng với chiều dài 334m. Kết quả thu được sau 28 ngày tuổi, mô đun của mẫu đất gia cố xi măng đạt hơn 100MPa với hàm lượng xi măng gia cố ≥12% và xe tải nhẹ có thể lưu thông một cách an toàn. [4] Tại Bắc Giang, nhóm nghiên cứu của Trần Long Giang chọn phương pháp được sử dụng là gia cố đất bằng xi măng để xây dựng kết cấu mặt đường. Lớp đất đá được hóa cứng dày 20cm, kết quả thí nghiệm sau 7 ngày với 20 mẫu đất gia cố 7 đều đạt giá trị mô đun đàn hồi Ech > 120MPa.
Một số hình ảnh thi công và thí nghiệm như sau: Hình 2.1: Hiện trạng tuyến đường liên huyện Việt Yên [5] Hình 2.2: Phay nhỏ đất và rải xi măng theo hàm lượng [5] Hình 2.3: Tưới dung dịch xử lý (nước + phụ gia) đều trên lớp đất [5] 8 Hình 2.4: Trộn hỗn hợp đất gia cố bằng thiết bị chuyên dùng [5] Hình 2.5: Lu lèn chặt lớp đất gia cố [5] Hình 2.6: Hoàn thiện mặt đường [5] 9 Hình 2.7: Thí nghiệm xác định giá trị mô đun đàn hồi [5] Từ đó, ta thấy việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp gia cố đất cho các công trình đã được triển khai từ rất sớm và đặc biệt ở các tỉnh miền Bắc nước ta và hiện nay công nghệ này cũng đang được tiếp tục nghiên cứu rộng rãi trên địa bàn cả nước. Cơ chế hình thành cường độ đất gia cố Đồng bằng sông Cửu Long mang quỹ đất lớn, đặc biệt là đất bùn sét. Để cải tạo tính chất cơ lý của loại đất này chúng ta cần phải tìm cách làm cứng hóa bùn (Ngô Anh Quân, 2019). Xi măng, vôi,.
là các chất kết dính được nghiên cứu khi cho trộn chung với bùn được sử dụng rộng rãi ở vùng đất yếu. [6] Cường độ đất gia cố qua 2 vấn đề là: cứng hóa và ổn định. Cứng hóa là quá trình cải thiện tính chất cơ lý trong đất như: cường độ nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo, độ sệt và ổn định nước. Ổn định là làm giảm và hạn chế chất gây ô nhiễm có trong đất bùn sét.
[6] Có 3 phản ứng xảy ra chính gồm: khử nước, trao đổi ion, phản ứng keo hóa khi gia cố đất bùn. Cường độ đất sau khi gia cố phụ thuộc chủ yếu vào phản ứng keo hóa được tăng từ từ theo thời gian. [6] Phản ứng trao đổi cation giúp tạo ra chất kết dính C-S-H qua phản ứng puzzolan: 10 nCaO + SiO2 + yH2O → C-S-H (2. Nguyên lý hình thành cường độ đất gia cố xi măng Đất sau khi được gia cố xi măng, thông qua việc đầm nén và biến cứng lâu dài trong môi trường ẩm, hỗn hợp sau khi gia cố trở thành một vật thể toàn khối, bền vững.
Hàm lượng chất kết dính với phương pháp gia cố phù hợp là yếu tố quan trọng đến chất lượng mẫu. Cùng với đó là hàm lượng nước cần thiết đảm bảo cho quá trình thủy phân và thủy hóa của xi măng. Diện tích bề mặt đất sét tiếp xúc lớn nếu không được nghiền đập kỹ và trộn cẩn thận thì không thể làm cho độ chặt của hỗn hợp đạt được đến độ chặt lớn nhất. [7] Quá trình trao đổi ion và phản ứng hóa học sau khi trộn đất với xi măng được diễn ra trong thời gian dài, gồm 2 giai đoạn: [7] Giai đoạn I: Bắt đầu sự chuyển hóa các ion từ mạng tinh thể của khoáng vật trong xi măng vào môi trường nước và hiđrát hóa chúng trong môi trường này.
Tiếp đó là sự kết tinh hóa của các khoáng vật mới, ổn định vừa được tách ra từ dung dịch những sản phẩm hiđrát nói trên. Giai đoạn đầu, từ những hạt nguyên sinh của đất kết dính và những mầm kết tinh nói trên nảy sinh cấu trúc ngưng tụ. Cấu trúc ngưng tụ là một mạng lưới không gian được tạo nên bằng con đường kết dính, chưa có trật tự nhất định từ những hạt nhỏ nhất của pha rắn phân tán trong môi trường phân tán. Giai đoạn II: Là sự đông cứng tạo nên cấu trúc kết tinh.
Cấu trúc kết tinh là loại có cường độ và độ ổn định nước cao nhất. Cấu trúc kết tinh là tốt nhất vì nó phát sinh trên cơ sở của cấu trúc keo tụ do sự hòa tan vào nước, thành phần pha rắn phân tán vốn có từ trước nhờ sự xuất hiện của dung dịch bão hòa đối với chất thủy hóa mới. Giai đoạn đầu đất trộn với xi măng và nước để tạo ra hiđrô silicát canxi (CaO.nH2O hoặc Ca(OH)2) và các sản phẩm khác của sự thủy phân. Giai đoạn tiếp theo là phản ứng của đất với các sản phẩm thủy hóa (như hiđrô silicát canxi (CaO.nH2O hoặc Ca(OH)2).
Quá trình tương tác hóa lý và hóa học xảy ra rất mạnh vì diện tích tiếp xúc của xi măng và đất đều lớn. Khả năng này càng rất rõ đối 11 với những loại đất không chứa cácbonnát, không bão hòa bazơ. Trước tiên dẫn đến sự hấp thụ cation Ca++ từ canxi hiđrôxít được tách ra trong dung dịch, làm giảm số lượng ion canxi trong hệ thống. Các quá trình hóa rắn của đất – xi măng chậm lại và cấu trúc của hệ thống đất gia cố xi măng cũng kém bền vững hơn trong xi măng hay trong bê tông xi măng.
[7] Quá trình phản ứng khi gia cố đất với xi măng làm thay đổi các tính chất cơ lý, đóng vai trò trong việc hình thành cường độ như: thành phần hạt, thành phần khoáng - hóa, hàm lượng và thành phần chất mùn, độ pH,… Đất thích hợp nhất để gia cố xi măng là loại á cát, hỗn hợp sét – cát có thành phần cấp phối tốt nhất, đất cát có nhiều loại kích cỡ hạt, á sét nhẹ. Các loại đất á sét nặng, đất sét cũng có thể gia cố xi măng, nhưng lượng xi măng cần nhiều hơn và năng lượng trong việc gia công đất cũng tốn nhiều. Nguyên lý hình thành cường độ đất gia cố vôi Vôi được để gia cố đất trong xây dựng đường và được áp dụng rộng rãi trên thế giới.