Tổng quan nghiên cứu

Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là tỉnh Cà Mau, sở hữu một quỹ đất lớn chủ yếu là đất bùn sét với hàm lượng cát chỉ khoảng 5,86%, hàm lượng bụi và sét chiếm phần lớn, cùng chỉ số dẻo trung bình 22,94%. Việc khai thác vật liệu truyền thống như cát, đá để làm nền móng đường đang dần cạn kiệt, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và làm tăng chi phí xây dựng. Trong bối cảnh đó, nghiên cứu gia cố đất bùn sét tại chỗ nhằm tận dụng nguồn vật liệu sẵn có, giảm chi phí và bảo vệ môi trường trở nên cấp thiết.

Mục tiêu của luận văn là thiết kế cấp phối và đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của đất bùn sét gia cố bằng các chất kết dính vô cơ như vôi và xi măng, nhằm ứng dụng làm nền móng đường giao thông tại tỉnh Cà Mau. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đất bùn sét lấy từ công trình xây dựng tuyến đường giao thông kết nối khu vực Đầm Thị Tường, với các thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn quốc gia. Kết quả nghiên cứu không chỉ có ý nghĩa khoa học trong việc mở rộng ứng dụng gia cố đất bùn sét mà còn mang lại giá trị thực tiễn lớn, giúp các chủ đầu tư và đơn vị thi công giảm chi phí, rút ngắn thời gian thi công và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính về cơ chế gia cố đất bằng vôi và xi măng. Thứ nhất, cơ chế hình thành cường độ đất gia cố xi măng bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn thủy hóa và giai đoạn đông cứng tạo cấu trúc kết tinh bền vững. Quá trình này phụ thuộc vào hàm lượng xi măng, độ ẩm và thời gian bảo dưỡng. Thứ hai, cơ chế gia cố đất bằng vôi dựa trên phản ứng trao đổi ion và quá trình cacbonat hóa, tạo ra các chất kết dính như CaCO3 giúp tăng cường độ và độ ổn định nước của đất. Các khái niệm chính bao gồm: chỉ số dẻo, độ ẩm tối ưu, cường độ chịu nén, cường độ kéo khi ép chẻ và mô đun đàn hồi.

Ngoài ra, luận văn tham khảo các tiêu chuẩn kỹ thuật như TCVN 10379:2014 về đất gia cố, TCVN 2682:2009 về xi măng, và các nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng dụng gia cố đất bằng vôi, xi măng và các phụ gia khác. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ đất gia cố như loại đất, thành phần khoáng hóa, hàm lượng chất kết dính, độ ẩm, nhiệt độ môi trường và tác dụng của xe chạy cũng được phân tích chi tiết.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mẫu đất bùn sét lấy tại công trình xây dựng tuyến đường giao thông kết nối khu vực Đầm Thị Tường, tỉnh Cà Mau. Đất được bảo quản giữ nguyên độ ẩm tự nhiên (khoảng 50,64%) cho đến khi tiến hành thí nghiệm. Chất kết dính sử dụng là vôi và xi măng PC40 sản xuất trong nước, tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm thiết kế cấp phối đất gia cố với các tỷ lệ khác nhau của vôi (5%-15%) và xi măng (10%-30%), cũng như phối hợp hỗn hợp vôi và xi măng. Các mẫu được chế tạo theo tiêu chuẩn đầm nén tiêu chuẩn TCN 333:06, với kích thước mẫu chuẩn và quy trình trộn, ủ, đầm nén nghiêm ngặt. Các chỉ tiêu cơ lý được xác định gồm độ ẩm tối ưu, cường độ chịu nén không nở hông, cường độ kéo khi ép chẻ và mô đun đàn hồi. Thời gian bảo dưỡng mẫu kéo dài đến 28 ngày nhằm đánh giá sự phát triển cường độ theo thời gian.

Quá trình phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp thống kê mô tả và so sánh kết quả thí nghiệm với các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2021 đến tháng 6/2022, bao gồm giai đoạn thu thập mẫu, thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ ẩm tối ưu và khối lượng thể tích khô: Đất gia cố xi măng đạt độ ẩm tối ưu trong khoảng 14%-17%, với khối lượng thể tích khô cực đại ở mẫu 30% xi măng tại 14% độ ẩm. Đất gia cố vôi có độ ẩm tối ưu từ 12%-14%, khối lượng thể tích khô lớn nhất ở mẫu 12% vôi tại 13% độ ẩm. Hỗn hợp vôi và xi măng có độ ẩm tối ưu cao hơn, từ 16%-18%, với mẫu 5% vôi + 15% xi măng đạt khối lượng thể tích khô cực đại ở 16%.

  2. Cường độ chịu nén: Khi tăng hàm lượng chất kết dính, cường độ chịu nén của đất gia cố tăng rõ rệt. Mẫu đất gia cố xi măng với 30% xi măng đạt cường độ chịu nén cao nhất, vượt yêu cầu kỹ thuật để làm lớp móng dưới. Đất gia cố vôi cũng tăng cường độ theo hàm lượng vôi, tuy nhiên mức tăng chậm hơn so với xi măng. Hỗn hợp vôi và xi măng cho thấy sự cải thiện cường độ vượt trội hơn so với từng loại riêng lẻ.

  3. Cường độ kéo khi ép chẻ và mô đun đàn hồi: Các chỉ tiêu này cũng tăng theo hàm lượng chất kết dính và thời gian bảo dưỡng. Mẫu đất gia cố xi măng đạt mô đun đàn hồi trên 100 MPa sau 28 ngày, phù hợp với tiêu chuẩn xây dựng nền móng đường. Đất gia cố vôi có mô đun đàn hồi thấp hơn nhưng vẫn đảm bảo tính ổn định cần thiết.

  4. Ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng: Cường độ đất gia cố tăng nhanh trong 7-14 ngày đầu và tiếp tục tăng chậm dần đến 28 ngày. Đặc biệt, đất gia cố vôi có sự phát triển cường độ kéo dài hơn, phù hợp với điều kiện thi công không cần khống chế thời gian chặt như xi măng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng cường độ là do các phản ứng hóa học giữa đất bùn sét và chất kết dính, tạo thành các sản phẩm kết dính như hiđrô silicát canxi (C-S-H) và cacbonat canxi (CaCO3), làm tăng độ cứng và ổn định của đất. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng gia cố đất bằng xi măng và vôi, đồng thời mở rộng ứng dụng cho loại đất bùn sét có chỉ số dẻo từ 15 đến 35, vượt giới hạn khuyến cáo của tiêu chuẩn hiện hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng chất kết dính và cường độ chịu nén, cũng như bảng so sánh các chỉ tiêu cơ lý giữa các mẫu đất gia cố khác nhau. Điều này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng phương pháp gia cố và lựa chọn cấp phối tối ưu.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, giúp giảm sự phụ thuộc vào vật liệu truyền thống, tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường. Đồng thời, nghiên cứu cũng góp phần làm phong phú thêm cơ sở lý thuyết về gia cố đất bùn sét, tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ gia cố đất bùn sét bằng vôi và xi măng tại các công trình giao thông ở Đồng bằng sông Cửu Long nhằm giảm chi phí vật liệu và bảo vệ môi trường. Chủ thể thực hiện là các chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng, với thời gian triển khai trong giai đoạn 2023-2025.

  2. Xây dựng hướng dẫn kỹ thuật chi tiết về thiết kế cấp phối và thi công đất gia cố dựa trên kết quả nghiên cứu, giúp các đơn vị thi công áp dụng đồng bộ và hiệu quả. Bộ Giao thông Vận tải và các viện nghiên cứu nên phối hợp thực hiện trong vòng 1 năm.

  3. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ gia cố đất bùn sét cho cán bộ kỹ thuật và công nhân thi công nhằm nâng cao năng lực và đảm bảo chất lượng công trình. Các trường đại học, trung tâm đào tạo kỹ thuật và doanh nghiệp xây dựng là các chủ thể chính, thực hiện liên tục trong 2 năm.

  4. Tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng gia cố đất bùn sét với các phụ gia mới và điều kiện thi công thực tế để nâng cao hiệu quả và độ bền của nền móng đường. Các viện nghiên cứu và trường đại học nên triển khai các đề tài nghiên cứu trong giai đoạn 2023-2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chủ đầu tư và Ban quản lý dự án giao thông: Có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu và công nghệ thi công phù hợp, giảm chi phí và rút ngắn tiến độ dự án.

  2. Các nhà thầu xây dựng và tư vấn thiết kế: Áp dụng phương pháp gia cố đất bùn sét tại chỗ giúp tối ưu hóa thiết kế nền móng, nâng cao chất lượng công trình và giảm thiểu tác động môi trường.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Tham khảo để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về gia cố đất và ứng dụng vật liệu địa phương trong xây dựng.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về giao thông và môi trường: Sử dụng luận văn làm cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thi công phù hợp với điều kiện địa phương.

Câu hỏi thường gặp

  1. Gia cố đất bùn sét bằng vôi và xi măng có ưu điểm gì so với vật liệu truyền thống?
    Gia cố đất bùn sét tận dụng nguồn vật liệu tại chỗ, giảm chi phí vận chuyển và khai thác cát, đá, đồng thời giảm tác động tiêu cực đến môi trường. Ngoài ra, phương pháp này giúp tăng cường độ và độ ổn định của nền móng, phù hợp với điều kiện đất yếu ở Đồng bằng sông Cửu Long.

  2. Hàm lượng vôi và xi măng tối ưu để gia cố đất bùn sét là bao nhiêu?
    Theo kết quả nghiên cứu, hàm lượng xi măng từ 15%-30% và vôi từ 5%-15% được đánh giá là phù hợp, trong đó hỗn hợp 5% vôi kết hợp 15% xi măng cho hiệu quả gia cố tốt nhất với độ ẩm tối ưu khoảng 16%.

  3. Thời gian bảo dưỡng mẫu đất gia cố ảnh hưởng như thế nào đến cường độ?
    Cường độ đất gia cố tăng nhanh trong 7-14 ngày đầu và tiếp tục tăng chậm đến 28 ngày. Đất gia cố vôi có sự phát triển cường độ kéo dài hơn, cho phép linh hoạt trong thi công mà không cần khống chế thời gian chặt như xi măng.

  4. Phương pháp gia cố này có thể áp dụng cho các loại đất khác ngoài đất bùn sét không?
    Phương pháp gia cố bằng vôi và xi măng đã được áp dụng rộng rãi cho nhiều loại đất như đất á cát, đất sét pha, đất sỏi. Tuy nhiên, hiệu quả và hàm lượng chất kết dính cần được điều chỉnh phù hợp với đặc tính từng loại đất.

  5. Có những yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu quả gia cố đất bùn sét?
    Các yếu tố chính gồm loại đất và thành phần khoáng hóa, hàm lượng chất kết dính, độ ẩm khi trộn, nhiệt độ môi trường, thời gian bảo dưỡng và tác động cơ học như đầm nén và xe chạy. Việc kiểm soát các yếu tố này giúp đảm bảo chất lượng và độ bền của nền móng.

Kết luận

  • Đất bùn sét tại tỉnh Cà Mau có thể được gia cố hiệu quả bằng vôi và xi măng để làm nền móng đường, giúp tận dụng nguồn vật liệu tại chỗ và giảm chi phí xây dựng.
  • Hàm lượng chất kết dính và độ ẩm tối ưu là các yếu tố quyết định đến cường độ và độ ổn định của đất gia cố.
  • Cường độ chịu nén, cường độ kéo khi ép chẻ và mô đun đàn hồi của đất gia cố đạt yêu cầu kỹ thuật cho lớp móng dưới kết cấu nền đường.
  • Thời gian bảo dưỡng ảnh hưởng tích cực đến sự phát triển cường độ, đặc biệt với đất gia cố vôi có thể thi công linh hoạt hơn.
  • Nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho việc thiết kế và thi công nền móng đường tại các vùng đất yếu, đồng thời góp phần bảo vệ tài nguyên và môi trường.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng thực tế công nghệ gia cố đất bùn sét tại các công trình giao thông ở Đồng bằng sông Cửu Long, đồng thời mở rộng nghiên cứu với các phụ gia mới và điều kiện thi công đa dạng. Để biết thêm chi tiết và nhận tư vấn kỹ thuật, quý độc giả và các đơn vị quan tâm vui lòng liên hệ với Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.