Tổng quan luận án
Đồng bằng sông Cửu Long có đặc điểm địa hình trũng thấp, phần lớn bề mặt được bao phủ bởi các trầm tích trẻ tuổi Holocen có bề dày lớn (phổ biến từ 10 m đến trên 20 m), đa phần là đất yếu có nguồn gốc và thành phần khác nhau. Đây là khu vực thường xuyên chịu tác động của triều cường, nước biển dâng, sạt lở bờ sông bờ biển và xâm nhập mặn. Việc xây dựng các công trình hạ tầng kinh tế, đê bao, cống ngăn mặn gặp nhiều khó khăn do nền đất yếu dày nằm ngay trên bề mặt và nguồn vật liệu đất đắp thay thế rất khan hiếm, buộc phải tận dụng vật liệu tại chỗ. Phương pháp cải tạo đất bằng xi măng đã được áp dụng tại một số dự án thủy lợi và giao thông trong vùng, mang lại hiệu quả kinh tế so với giải pháp cọc bê tông cốt thép. Tuy nhiên, các công trình trước đây chủ yếu dừng lại ở các thí nghiệm mang tính sản xuất đơn lẻ; chưa có nghiên cứu hệ thống về ảnh hưởng của các đặc tính xây dựng của đất nền (thành phần hạt, khoáng vật, hóa học, hàm lượng hữu cơ, pH môi trường, độ nhiễm mặn/phèn, dung lượng trao đổi cation) đến chất lượng khối đất sau gia cố. Trong khi đó, nhóm đất phèn và đất mặn chiếm trên 60% diện tích tự nhiên của vùng và thường xuyên lẫn tạp chất hữu cơ. Khoảng trống này làm cho hiệu quả gia cố ở một số dự án chưa cao, xảy ra tình trạng suy giảm cường độ hoặc phải điều chỉnh tăng lượng xi măng ngoài thiết kế.
Luận án xác định các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:
- Mục tiêu nghiên cứu:
- Làm sáng tỏ sự ảnh hưởng của đặc tính xây dựng, đặc biệt là đặc điểm về thành phần của đất đến chất lượng đất gia cố bằng xi măng.
- Nghiên cứu, đề xuất biện pháp nhằm nâng cao hiệu quả của phương pháp gia cố bằng xi măng kết hợp với phụ gia để cải tạo đất loại sét yếu là than bùn hóa và đất nhiễm muối ở mức mặn đến rất mặn tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long.
- Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Làm sáng tỏ đặc điểm phân bố, các đặc trưng cơ lý và đặc điểm thành phần của đất loại sét yếu phổ biến ở Đồng bằng sông Cửu Long.
- Đánh giá mức độ nhiễm muối, phèn, hàm lượng hữu cơ, khả năng trao đổi cation, đặc điểm thành phần và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng đất gia cố.
- Đề xuất giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả của phương pháp gia cố.
- Đối tượng nghiên cứu: Đất loại sét yếu phổ biến ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long, phân bố trong phạm vi chiều sâu 20 m (hết chiều dày tầng đất yếu), phục vụ xây dựng các công trình có quy mô vừa và nhỏ như đê bao, bờ bao, cống nhỏ, công trình hạ tầng, nhà công nghiệp và dân dụng thấp tầng.
- Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào các đặc tính xây dựng nội tại của đất gồm thành phần hạt, khoáng vật, hóa học, muối, phèn, hàm lượng hữu cơ, pH, khả năng trao đổi cation ảnh hưởng đến chất lượng đất gia cố bằng xi măng và xi măng kết hợp phụ gia. Không gian nghiên cứu thực nghiệm bao gồm các mẫu đất đại diện thu thập tại các tỉnh An Giang, Tiền Giang, Hậu Giang, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang và thành phố Cần Thơ.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Công nghệ gia cố đất yếu bằng chất kết dính vô cơ (vôi, xi măng) đã phát triển trên thế giới từ những năm 1960. Tại Thụy Điển và Phần Lan, phương pháp cột vôi được Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển nghiên cứu năm 1967 theo đề xuất của Jo. Kjeld Paúe; tiếp đó Rathmayer và Liminen (1980) phân tích hiệu quả cọc vôi trên đê đất; Broms và Boman (1977) tổng kết các kết quả nghiên cứu vật liệu gia cố của Nieminen (1977) và Vitanen (1977). Năm 1981, Jim Mitchell công bố báo cáo tổng quát về cọc đất - vôi - xi măng tại Hội nghị Cơ học đất Stockholm. Holin và cộng sự (1983) xác định tỷ lệ vôi:thạch cao 3:1; Kujala và Lahtinen ban hành hướng dẫn STO-91; Kaltedt và Halkola (1993), Kukko và Puohomaki (1995) công bố các dữ liệu về xử lý đất bằng xỉ lò cao và tro than. Hakan Berdenberg và Gora Holm (1999) xuất bản tài liệu tổng kết phương pháp trộn khô cho đất sâu, bao gồm các nghiên cứu của K. Maski và Andesson trên đất than bùn. Tại Mỹ, phương pháp cọc trộn đơn được Prepakt Co triển khai năm 1954; các ứng dụng nâng cấp đập đất chống hóa lỏng được thực hiện tại đập Lockington (Walker, 1994), đập Jackson Lake (Taki và Yang, 1991), đập Cushman (Yang và Takeshima, 1994). Tại Châu Á, Nhật Bản phát triển công nghệ trộn vôi DLM (1974), trộn ướt CDM (1975) và trộn khô DJM (1976, 1980) với các nghiên cứu của Jerashi, Suzuki, Kitazume, Honjo, Hirama, Tanaka, Matsushi. Trung Quốc ứng dụng công nghệ trộn sâu (DM) từ năm 1978 tại cảng Thiên Tân, cảng Yantai.
Về phụ gia kết hợp xi măng, Hossein Moayedi, Bujang B K Huat và Sina Kazemian nghiên cứu thủy tinh lỏng $Na_2SiO_3$ kết hợp $CaCl_2$, $Al_2(SO_4)_3$ trên đất hữu cơ; Huie Chen và Qing Wang (2006) thử nghiệm $Na_2SO_4$, $NaCl$, triethanolamin, $CaSO_4$ (2,55%) và $Al_2(SO_4)_3$ (2,55%); Roslan Hashim và Md. Shahidul Islam nghiên cứu đất than bùn Klang (Malaysia) chứa trên 85% hữu cơ với xi măng, bentonit và $CaCl_2$; Nguyễn Duy Quang, Jin Chun Chai, Takenorihiho, Takehito Negami (2012) phân tích đất bùn vịnh Ariake (Nhật Bản) trộn vôi và xi măng; Huat, Shukri Maail và Thamer Ahmed Mohamed (2005) khảo sát bùn nhiệt đới Malaysia; Thiruvananthapuram (2009) đánh giá dung dịch $Ca(OH)_2$ kết hợp $CaCl_2$ trên sét kaolinit; Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) phát triển phụ gia Rovo; Mohd Yunus R. (2012) khảo sát tác động của axit humic và muối; Sina Kazemian và cộng sự (2011) xác định tác động ức chế hydrat hóa khi $pH < 9$. Về ảnh hưởng của thành phần hạt và hóa muối, Elenovich (1969) phân đất thành 4 nhóm theo hệ số không đồng nhất $C_u$; Samôilov chỉ rõ ngưỡng muối $Na_2SO_4 > 3%$ làm mất tác dụng gia cố xi măng; Smith (1962), Bell (1993), Kaki và Yang (1991), Hilt và Saridson (1965) nghiên cứu phản ứng puzolan của các khoáng sét montmorilonit, kaolinit và illit.
Tại Việt Nam, nghiên cứu gia cố đất bằng chất kết dính vô cơ bắt đầu từ năm 1967 tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tiếp nối bởi Viện Kỹ thuật Giao thông (1970), Viện Khoa học Kỹ thuật Xây dựng hợp tác với Thụy Điển (1980-1985), Hồ Chất (1985), Nguyễn Trấp (1984-1993), Tạ Đức Thịnh (2002) với cọc cát - xi măng - vôi tại Thái Bình. Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam ứng dụng công nghệ Jet-grouting từ năm 2002 sửa chữa đê Sơn Tây, cống Tắc Giang, cống Sông Cui, cụm công trình Ô Môn - Xà No. Về mặt địa kỹ thuật, Đỗ Minh Toàn (1993, 2011) nghiên cứu đất sét ven biển Bắc Bộ và đất trầm tích $amQ_2^{2-3}$ tại Trà Vinh, Cần Thơ, Tiền Giang; Lê Thị Phòng (2005) nghiên cứu phụ gia SA44/LS40 tại Hưng Yên; Nguyễn Thị Thắm và Đỗ Minh Toàn (2008) thử nghiệm tro trấu tại Cần Thơ; Trịnh Thị Huế (2009) nghiên cứu bùn sét Trà Vinh; Đậu Văn Ngọ (2008) phân tích đất gia cố dự án Đại lộ Đông Tây TP. Hồ Chí Minh; Nguyễn Thị Thu Quỳnh (2010) khảo sát ảnh hưởng của muối và phèn tại Cà Mau; Nguyễn Thị Nụ và Đỗ Minh Toàn (2010) đánh giá hàm lượng muối ở Tiền Giang và Sóc Trăng.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết: Phần lớn công trình trong nước chỉ khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng hữu cơ ở mức thấp ($<15%$) hoặc khảo sát hàm lượng muối bằng phương pháp nhân tạo pha thêm vào đất. Chưa có nghiên cứu hệ thống nào đánh giá tổng hợp đa biến giữa các yếu tố thành phần tự nhiên (hạt, khoáng vật, hóa học, hữu cơ cao trong đất than bùn hóa, nhiễm mặn tự nhiên, độ pH, dung lượng trao đổi cation CEC) với chất lượng gia cố; chưa phân nhóm đất Đồng bằng sông Cửu Long theo mức độ thuận lợi cho cải tạo xi măng; đồng thời thiếu giải pháp phụ gia xử lý đồng thời đất than bùn hóa và đất bùn sét nhiễm mặn mức độ cao.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết của phương pháp gia cố đất bằng xi măng dựa trên hai nhóm phản ứng chính: phản ứng thủy hóa của xi măng tạo ra khoáng canxi hydrat silicat (C-S-H), canxi hydrat aluminat (C-A-H) và giải phóng vôi tự do $Ca(OH)_2$; tiếp theo là phản ứng trao đổi ion giữa cation $Ca^{2+}$ với các cation hấp phụ trên bề mặt hạt khoáng sét ($Na^+, K^+, Mg^{2+}$) làm giảm chiều dày tầng khuếch tán, gây keo tụ hạt sét. Đồng thời, vôi tự do phản ứng puzolanic chậm với các khoáng vật sét ($SiO_2$ và $Al_2O_3$ hoạt tính) trong môi trường kiềm cao ($pH > 12$), hình thành mạng liên kết tinh thể mới bền vững trong nước, làm tăng mật độ, giảm hệ số rỗng và tăng cường độ khối đất. Khi có mặt vật chất hữu cơ (axit humic), môi trường bị axit hóa tiêu hao $Ca(OH)_2$, ức chế quá trình thủy hóa; còn khi đất nhiễm muối sunfat nồng độ cao sẽ tạo khoáng ettringite nở thể tích gây phá hủy cấu trúc.
Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm phòng thí nghiệm và kiểm chứng hiện trường:
- Phương pháp khảo sát, lấy mẫu: Thu thập mẫu đất nguyên dạng và xáo trộn tại các hố khoan khảo sát địa chất ở 6 tỉnh đại diện (An Giang, Hậu Giang, Kiên Giang, Tiền Giang, Bạc Liêu, Cà Mau) ở độ sâu đến 20 m.
- Phương pháp phân tích thành phần đất: Xác định thành phần hạt bằng phương pháp tỷ trọng kế và sàng theo TCVN 4198:1995; thành phần khoáng vật bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD); thành phần hóa học ($SiO_2, Al_2O_3, Fe_2O_3, CaO, MgO, SO_3$, mất khi nung MKN) bằng phân tích hóa ướt và huỳnh quang tia X; dung lượng trao đổi cation (CEC) theo phương pháp amoni axetat; hàm lượng hữu cơ (HLHC) bằng phương pháp mất khi nung và Walkley-Black; nồng độ muối tan ($Cl^-, SO_4^{2-}$, tổng số muối tan TSMT); các chỉ tiêu cơ lý tự nhiên ($w, \gamma_w, \gamma_c, \Delta, e_0, W_L, W_P, I_p, B, c, \varphi$).
- Phương pháp chế bị và thí nghiệm mẫu gia cố: Chế bị mẫu đất - xi măng hình trụ kích thước chuẩn; sử dụng các loại xi măng thương mại gồm Hà Tiên PCB40 (HT40), Kiên Lương PCB40 (K40), Nghi Sơn PCP40 (N40), Tây Đô PCB30 (T30) và Tây Đô PCB40 (T40); hàm lượng xi măng khảo sát từ 150 đến 350 kg/m³; tỷ lệ nước/xi măng (N/X) kiểm soát theo độ ẩm tự nhiên của đất. Thí nghiệm nén một trục không hạn chế nở hông xác định cường độ kháng nén ($q_u$) và mô đun biến dạng ($E_{50}$) theo ASTM D2166 ở các ngày tuổi 7, 14, 28, 56, 91 và 180 ngày; thí nghiệm kéo ép chẻ xác định cường độ kháng kéo ($R_k$).
- Phương pháp kiểm chứng hiện trường: Khoan lấy 510 mẫu lõi cọc đất - xi măng thi công bằng công nghệ trộn sâu (CDM) và Jet-grouting (JG) tại các công trình thực tế ở Kiên Giang và Hậu Giang để đối chứng với kết quả trong phòng.
- Phương pháp xử lý số liệu: Sử dụng toán thống kê, phương pháp phân tích trọng số và phân tích hồi quy đa biến nhằm lượng hóa mức độ tác động của từng yếu tố thành phần đến cường độ nén $q_u$.
Nguồn tư liệu, dữ liệu thực nghiệm gồm trên 3.600 mẫu nén chế bị trong phòng, 510 mẫu lõi cọc hiện trường, kết hợp số liệu từ Đề tài cấp Bộ Nông nghiệp và PTNT (2014-2015) và Đề tài cấp Viện Thủy công (2013) do tác giả chủ trì và tham gia thực hiện.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về cải tạo đất yếu bằng xi măng, ảnh hưởng đặc tính xây dựng đến chất lượng gia cố
Chương 1 hệ thống hóa khái niệm và tiêu chí nhận diện đất loại sét yếu trong xây dựng: sức chịu tải quy ước $R_0 < 50 - 100\text{ kPa}$, mô đun biến dạng $E_0 < 5.000\text{ kPa}$, hệ số rỗng $e_0 \ge 1,0$ (đối với bùn sét $e_0 \ge 1,5$), độ ẩm tự nhiên $w \ge W_L$, độ sệt $B > 0,5$, sức kháng cắt không thoát nước $c_u < 15\text{ kPa}$. Đất than bùn và than bùn hóa có hàm lượng hữu cơ từ 10% đến trên 60%, độ ẩm tự nhiên có thể lên tới vài trăm phần trăm, tính nén lún lớn và kéo dài ($a_{1-2} = 0,01 - 0,10\text{ kPa}^{-1}$).
Chương này tổng kết chi tiết cơ chế tác động của 5 nhóm yếu tố nội tại của đất nền đến chất lượng đất gia cố:
- Thành phần hạt: Đất có hàm lượng hạt thô (cát) càng lớn thì cường độ kháng nén sau gia cố càng cao; đất có hàm lượng hạt mịn (sét) cao làm tăng diện tích bề mặt riêng, tiêu hao nhiều chất kết dính, dẫn đến cường độ thấp hơn ở cùng một tỷ lệ phối trộn.
- Hàm lượng hữu cơ: Axit humic phản ứng với $Ca(OH)_2$ tạo ra muối canxi humat không tan bao bọc các hạt xi măng, làm suy giảm môi trường kiềm, ức chế phản ứng thủy hóa và làm xốp cấu trúc đất gia cố.
- Hàm lượng muối: Muối clorua ($NaCl, CaCl_2$) ở nồng độ $< 3-5%$ có tác dụng kích thích phản ứng puzolan; ngược lại, muối sunfat ($Na_2SO_4 > 1-3%$) gây phản ứng tạo khoáng ettringite trương nở thể tích, phá vỡ liên kết cấu trúc.
- Môi trường pH: Khi $pH < 7$, quá trình đông cứng bị cản trở nghiêm trọng; khoảng giá trị $pH = 12 - 13$ là điều kiện thuận lợi nhất để duy trì phản ứng puzolan và khoáng hóa.
- Thành phần khoáng vật: Đất chứa khoáng vật nhóm smectit/montmorilonit có diện tích bề mặt lớn và tính trương nở cao phản ứng khó khăn hơn so với kaolinit và illit, đòi hỏi lượng chất kết dính cao hơn để đạt cùng một chỉ tiêu cường độ.
Chương 2: Nghiên cứu đặc điểm thành phần của đất loại sét yếu vùng Đồng bằng sông Cửu Long
Chương 2 trình bày quá trình thành tạo địa chất Đệ Tứ gắn liền với các chu kỳ biển tiến và biển lùi tương ứng các kỳ băng hà Wurm, Riss và Midel. Các trầm tích đất yếu bề mặt có nguồn gốc đa dạng: trầm tích sông ($aQ_2$), sông - biển ($amQ_2$), biển ($mQ_2$), biển - đầm lầy ($mbQ_2$) và sông - đầm lầy chứa than bùn ($abQ_2$).
Kết quả phân tích thí nghiệm đất nền tại 6 khu vực nghiên cứu được tổng hợp chi tiết theo thành phần hạt, khoáng vật, hóa học, mức độ nhiễm mặn và chỉ tiêu cơ lý tự nhiên:
| Khu vực lấy mẫu |
Tầng địa tầng |
Phân loại đất tự nhiên |
Tỷ lệ hạt sét (<0,005mm) (%) |
Khoáng vật sét chủ đạo |
Hàm lượng hữu cơ HLHC (%) |
Tổng muối tan TSMT (%) |
Giới hạn chảy $W_L$ (%) |
Độ ẩm tự nhiên $w$ (%) |
Sức kháng cắt $c_u$ (kPa) |
| An Giang |
$aQ_2^{32}$ |
Sét pha, dẻo chảy |
24,5 - 28,0 |
Hydromica, Kaolinit |
1,8 - 2,4 |
0,10 - 0,15 |
38,2 - 42,0 |
40,5 - 45,2 |
14,0 - 18,5 |
| An Giang |
$aQ_2^{32}$ |
Sét, dẻo chảy |
42,0 - 48,5 |
Hydromica, Kaolinit |
2,1 - 2,8 |
0,12 - 0,18 |
52,1 - 58,4 |
55,0 - 62,3 |
11,2 - 14,0 |
| Tiền Giang |
$amQ_2^{2-31}$ |
Bùn sét |
51,2 - 56,4 |
Hydromica, Montmorilonit |
3,2 - 4,5 |
0,45 - 0,72 |
64,5 - 71,2 |
72,0 - 81,5 |
8,5 - 11,0 |
| Hậu Giang |
$amQ_2^{2-32}$ |
Bùn sét |
53,0 - 58,2 |
Hydromica, Kaolinit |
3,8 - 5,1 |
0,38 - 0,60 |
66,0 - 74,5 |
75,4 - 86,0 |
7,2 - 10,5 |
| Bạc Liêu |
$mbQ_2^{32}$ |
Bùn sét nhiễm mặn |
55,4 - 61,0 |
Hydromica, Montmorilonit |
4,2 - 6,0 |
1,25 - 1,85 |
70,5 - 78,0 |
82,0 - 94,5 |
6,0 - 9,2 |
| Cà Mau |
$mbQ_2^{32}$ |
Bùn sét nhiễm mặn |
56,0 - 63,5 |
Hydromica, Montmorilonit |
4,5 - 6,8 |
1,60 - 2,40 |
73,0 - 82,5 |
86,5 - 102,0 |
5,5 - 8,0 |
| Kiên Giang |
$abQ_2^{31}$ |
Than bùn hóa (TBH) |
35,0 - 45,0 |
Kaolinit, Hydromica |
18,5 - 34,2 |
0,55 - 0,95 |
85,0 - 115,0 |
110,0 - 165,0 |
4,0 - 7,5 |
Kết quả phân tích thành phần hóa học cho thấy hàm lượng $SiO_2$ chiếm 52,4 - 64,2%, $Al_2O_3$ chiếm 14,5 - 21,2%, $Fe_2O_3$ chiếm 4,8 - 8,2%; oxit canxi và magie ($CaO + MgO$) thấp, dao động 1,8 - 4,5%. Dung lượng hấp thu cation (CEC) dao động từ 18,5 đến 32,4 meq/100g đất, trong đó đất bùn sét chứa montmorilonit tại Cà Mau và Bạc Liêu có dung lượng trao đổi cation cao nhất. Đất tại Cà Mau và Bạc Liêu thuộc nhóm đất mặn đến rất mặn với hàm lượng ion $Cl^-$ đạt 0,65 - 1,35%, gây ảnh hưởng trực tiếp đến phản ứng của chất kết dính.
Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng đặc điểm thành phần của đất loại sét yếu vùng Đồng bằng sông Cửu Long đến chất lượng đất gia cố
Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm nén mẫu đất gia cố xi măng với các hàm lượng từ 150 kg/m³ đến 350 kg/m³, bảo dưỡng ẩm tiêu chuẩn và kiểm tra cường độ kháng nén một trục ($q_u$) ở các ngày tuổi 7, 14, 28, 56, 91 và 180 ngày.
Sự phát triển cường độ kháng nén ($q_u$) và mô đun biến dạng ($E_{50}$) của các loại đất khác nhau thể hiện rõ quy luật:
- Với đất sét pha dẻo chảy ($aQ_2^{32}$) tại An Giang: Với hàm lượng xi măng HT40 từ 200 - 250 kg/m³, cường độ $q_{u28}$ đạt từ 650 đến 1.150 kPa; cường độ tiếp tục tăng trưởng mạnh ở 91 ngày, đạt 1.350 - 1.780 kPa.
- Với đất bùn sét ($amQ_2^{2-31}, amQ_2^{2-32}$) tại Tiền Giang và Hậu Giang: Cùng hàm lượng xi măng 250 kg/m³, $q_{u28}$ đạt từ 420 đến 680 kPa; đến 91 ngày đạt 610 đến 950 kPa.
- Với đất bùn sét nhiễm mặn ($mbQ_2^{32}$) tại Cà Mau và Bạc Liêu: Cường độ $q_{u28}$ đạt thấp hơn, dao động 280 - 450 kPa ở hàm lượng xi măng 250 kg/m³; tốc độ phát triển cường độ sau 28 ngày chậm hơn do ảnh hưởng của nồng độ muối hòa tan cao cản trở hydrat hóa.
- Với đất than bùn hóa ($abQ_2^{31}$) tại Kiên Giang: Khi chỉ sử dụng xi măng đơn thuần với hàm lượng 250 - 350 kg/m³, cường độ tăng trong 28 ngày đầu ($q_{u28} = 180 - 320\text{ kPa}$), nhưng từ ngày 56 đến 91 ngày xuất hiện hiện tượng đình trệ hoặc suy giảm cường độ từ 8% đến 22% do axit humic phân rã khung liên kết canxi hydrat silicat.
Quan hệ giữa mô đun biến dạng $E_{50}$ và cường độ kháng nén $q_u$ của đất gia cố xi măng tuân theo quan hệ tương quan tuyến tính thực nghiệm:
$$E_{50} = (80 \div 160) q_u$$
Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố thành phần qua phương pháp hồi quy trọng số đa biến:
- Ảnh hưởng của tỷ lệ hạt cát: Thí nghiệm pha trộn thêm cát thạch anh vào bùn sét Cà Mau cho thấy khi tăng tỷ lệ cát thêm 15 - 25%, cường độ nén $q_u$ tăng từ 35% đến 65%, đồng thời giảm độ ẩm ban đầu của hỗn hợp.
- Ảnh hưởng của chủng loại xi măng: Thử nghiệm so sánh 5 loại xi măng (HT40, K40, N40, T30, T40) cho thấy xi măng PCB40 có hàm lượng khoáng $C_3S$ và $CaO$ cao (như HT40, K40) cho cường độ kháng nén cao hơn từ 18% đến 32% so với xi măng PCB30 (T30) ở cùng liều lượng.
- Tương quan giữa mẫu phòng và hiện trường: Kết quả kiểm tra 510 mẫu khoan lấy lõi cọc tại công trình thực tế ở Kiên Giang và Hậu Giang cho thấy cường độ nén hiện trường $q_{u,ht}$ chỉ đạt khoảng 0,33 đến 0,67 lần cường độ mẫu chế bị trong phòng ($q_{u,phòng}$), nguyên nhân do độ đồng đều khi trộn cơ học tại hiện trường thấp hơn và điều kiện bảo dưỡng thực tế chịu tác động của nước ngầm hòa tan.
Trên cơ sở kết quả thực nghiệm và phân tích trọng số đa biến, luận án phân loại đất loại sét yếu Đồng bằng sông Cửu Long thành 3 nhóm phục vụ gia cố bằng xi măng:
- Nhóm 1 (Thuận lợi cho cải tạo): Gồm đất sét pha, sét dẻo mềm đến dẻo chảy nguồn gốc sông ($aQ_2$), hàm lượng hữu cơ thấp ($HLHC < 3%$), không nhiễm mặn ($TSMT < 0,25%$). Đạt cường độ thiết kế cao với hàm lượng xi măng kinh tế (150 - 200 kg/m³).
- Nhóm 2 (Ít thuận lợi): Gồm bùn sét, bùn sét pha nguồn gốc sông - biển ($amQ_2$) và biển - đầm lầy ($mbQ_2$), độ ẩm tự nhiên cao ($w = 70 - 100%$). Nhóm này chia thành hai phụ nhóm:
- Phụ nhóm 2a: Đất bùn sét nhiễm mặn yếu hoặc không mặn ($TSMT < 0,5%$, $HLHC < 5%$), cần hàm lượng xi măng 200 - 275 kg/m³.
- Phụ nhóm 2b: Đất bùn sét nhiễm mặn mức mặn đến rất mặn ($TSMT > 1,0%$, $Cl^- > 0,6%$, tập trung tại Bạc Liêu, Cà Mau), quá trình hydrat hóa chậm, cần giải pháp phụ gia hoặc xi măng chuyên dụng.
- Nhóm 3 (Không thuận lợi): Gồm đất than bùn hóa nguồn gốc đầm lầy ($abQ_2, bQ_2$) phân bố tại Kiên Giang, Cà Mau, hàm lượng hữu cơ cao ($HLHC = 10 - 35%$), $pH < 5,5$, độ ẩm tự nhiên rất cao ($w > 100%$). Không thể cải tạo đạt yêu cầu ổn định lâu dài nếu chỉ dùng xi măng đơn thuần.
Chương 4: Nghiên cứu biện pháp nâng cao hiệu quả phương pháp gia cố đất bằng xi măng kết hợp với phụ gia
Chương 4 tập trung giải quyết bài toán nâng cao cường độ và ngăn chặn suy giảm chất lượng cho hai nhóm đất bất lợi nhất: đất bùn sét nhiễm mặn cao thuộc Phụ nhóm 2b (tại Cà Mau) và đất than bùn hóa thuộc Nhóm 3 (tại Kiên Giang).
Luận án nghiên cứu thử nghiệm 4 loại phụ gia kỹ thuật:
- Phụ gia Rovo (nguồn gốc Đại học Công nghệ Delft - Hà Lan): Là phụ gia polymer-khoáng hoạt hóa, làm thay đổi động học hydrat hóa, kích thích hình thành các vi cấu trúc tinh thể dạng sợi đan xen, làm tăng độ chặt và độ dẻo dai của đá xi măng - đất.
- Vôi canxi ($CaO/Ca(OH)_2$): Bổ sung lượng kiềm nhanh chóng, nâng $pH$ môi trường lên trên 12, trung hòa axit humic tự do trong đất hữu cơ và đẩy mạnh phản ứng puzolanic.
- Thạch cao ($CaSO_4 \cdot 2H_2O$): Tác dụng với aluminat trong xi măng để tạo khoáng ettringite sớm ở tỷ lệ có kiểm soát, làm tăng độ kết kết cứng ban đầu.
- Thủy tinh lỏng ($Na_2SiO_3$): Cung cấp $SiO_2$ hoạt tính cao, phản ứng tức thời với $Ca^{2+}$ tạo gel canxi silicat ngậm nước bao bọc và đóng rắn nhanh các hạt bùn.
Kết quả thí nghiệm cải tạo đất Phụ nhóm 2b (bùn sét Cà Mau, $TSMT = 1,8%$, xi măng HT40 mức 200 kg/m³ kết hợp cát và phụ gia):
- Khi bổ sung 2% thạch cao ($CaSO_4$) kết hợp 2 - 4% vôi: Cường độ nén $q_{u28}$ tăng từ 380 kPa (đối chứng chỉ dùng xi măng) lên 620 - 740 kPa (tăng 63 - 94%); cường độ kéo ép chẻ $R_k$ tăng từ 42 kPa lên 85 kPa.
- Thủy tinh lỏng nồng độ 0,5% giúp rút ngắn thời gian đông kết ban đầu của bùn sét mặn từ 18 giờ xuống còn 4 - 6 giờ.
Kết quả thí nghiệm cải tạo đất Nhóm 3 (than bùn hóa Kiên Giang, $HLHC = 24,5%$, $w = 125%$, xi măng HT40 mức 350 kg/m³ kết hợp phụ gia):
- Mẫu đối chứng (chỉ dùng 350 kg/m³ xi măng): $q_{u28} = 265\text{ kPa}$, nhưng đến 91 ngày tuổi cường độ bị suy giảm xuống còn $220\text{ kPa}$ (giảm 17%).
- Mẫu kết hợp xi măng + 1,0 - 1,5% phụ gia Rovo + 4% vôi: Cường độ $q_{u28}$ đạt $580 - 640\text{ kPa}$; đến 91 ngày tuổi cường độ tiếp tục tăng trưởng ổn định đạt $780 - 850\text{ kPa}$ (hoàn toàn không xảy ra hiện tượng suy giảm cường độ theo thời gian).
- Cường độ kháng kéo ép chẻ $R_k$ tại 91 ngày tuổi đạt 95 - 110 kPa, tăng gấp 2,8 lần so với mẫu không có phụ gia. Cấu trúc tinh thể dạng sợi từ phản ứng kích hoạt của Rovo đã ngăn cản sự xâm thực của các phân tử axit humic vào liên kết xi măng.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án tự nêu những đóng góp mới về mặt khoa học lý luận và ứng dụng thực tiễn:
- Đóng góp mới về lý luận:
- Đánh giá phân tích có hệ thống và làm sáng tỏ cơ chế ảnh hưởng đồng thời của các đặc tính xây dựng (thành phần hạt, thành phần khoáng vật, hóa học, hàm lượng hữu cơ, độ mặn, pH môi trường, dung lượng trao đổi cation CEC) đến chất lượng khối đất gia cố bằng xi măng tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long.
- Xây dựng bảng phân loại đất loại sét yếu Đồng bằng sông Cửu Long thành 3 nhóm theo mức độ thuận lợi cho cải tạo bằng xi măng: Nhóm 1 (thuận lợi), Nhóm 2 (ít thuận lợi, gồm Phụ nhóm 2a và 2b), và Nhóm 3 (không thuận lợi).
- Làm sáng tỏ quy luật tương quan thực nghiệm giữa mô đun biến dạng và cường độ kháng nén ($E_{50}/q_u$), tương quan cường độ giữa mẫu thí nghiệm trong phòng và mẫu lõi cọc hiện trường ($q_{u,ht}/q_{u,phòng}$).
- Đóng góp mới về thực tiễn:
- Đề xuất giải pháp và tỷ lệ cấp phối phụ gia tối ưu để gia cố hai đối tượng đất yếu phức tạp nhất trong vùng: sử dụng thạch cao 2%, vôi 2 - 4% và thủy tinh lỏng 0,5% cho đất bùn sét nhiễm mặn cao (Phụ nhóm 2b); sử dụng phụ gia Rovo 1,0 - 1,5% kết hợp 4% vôi cho đất than bùn hóa (Nhóm 3) nhằm gia tăng cường độ kháng nén, kháng kéo và đảm bảo độ ổn định cường độ theo thời gian.
- Xây dựng hệ thống bảng kiến nghị hàm lượng xi măng và phụ gia tương ứng với cấp cường độ yêu cầu ở 28 ngày và 91 ngày cho từng nhóm đất sét yếu cụ thể tại Đồng bằng sông Cửu Long, phục vụ công tác thiết kế nền móng công trình vừa và nhỏ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Văn bản luận án chỉ rõ các điểm hạn chế:
- Số lượng mẫu kiểm chứng hiện trường từ lõi cọc khoan trộn sâu mới tập trung chủ yếu tại hai tỉnh Kiên Giang và Hậu Giang, chưa mở rộng đồng đều ra toàn bộ 13 tỉnh thành trong vùng do điều kiện thi công thực tế của các dự án.
- Phụ gia Rovo là sản phẩm công nghệ nhập khẩu, việc áp dụng đại trà trên quy mô lớn cần tính toán chi tiết về mặt cung ứng và giá thành kinh tế.
- Nghiên cứu mới khảo sát ứng xử cơ học trong điều kiện tải trọng tĩnh ngắn và trung hạn (đến 180 ngày), chưa đánh giá tác động của tải trọng động chu kỳ lặp lại và quá trình rửa lũ/xâm nhập mặn kéo dài nhiều năm.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Mở rộng quan trắc dài hạn độ bền vững hóa lý của cọc đất - xi măng - phụ gia trong môi trường biến đổi khí hậu, nước biển dâng và xâm thực phèn mặn sâu.
- Nghiên cứu chế tạo các loại phụ gia khoáng hoạt tính có nguồn gốc phế phẩm nông nghiệp tại chỗ (như tro trấu nghiền mịn hoạt hóa nhiệt) để thay thế phụ gia nhập ngoại nhằm giảm giá thành.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng trực tiếp cho:
- Kỹ sư thiết kế, tư vấn giám sát và nhà thầu thi công nền móng: Tham khảo bảng phân loại 3 nhóm đất và bảng kiến nghị định mức xi măng, tỷ lệ cấp phối phụ gia tương ứng với tuổi bảo dưỡng 28 và 91 ngày; áp dụng hệ số chuyển đổi giữa cường độ trong phòng và hiện trường ($0,33 - 0,67$) khi tính toán sức chịu tải cọc trộn sâu.
- Cán bộ kỹ thuật và cơ quan quản lý ngành Nông nghiệp và PTNT, Giao thông vận tải: Áp dụng giải pháp cọc đất - xi măng kết hợp vôi và phụ gia xử lý nền đê bao, cống qua đê, mố cầu giao thông nông thôn đặt trên đất phèn, mặn và than bùn hóa tại các vùng ven biển Tây và bán đảo Cà Mau.
- Giảng viên, học viên sau đại học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng, Địa chất công trình: Sử dụng cơ sở dữ liệu phân tích khoáng vật, hóa học, CEC của tầng trầm tích Đệ Tứ Đồng bằng sông Cửu Long làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tương tự.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án phân chia đất loại sét yếu vùng Đồng bằng sông Cửu Long thành những nhóm nào để cải tạo bằng xi măng?
Luận án phân chia đất thành 3 nhóm dựa trên mức độ thuận lợi:
- Nhóm 1 (Thuận lợi): Đất sét pha dẻo mềm đến dẻo chảy ($aQ_2^{32}$) tại An Giang, ít hữu cơ ($HLHC < 3%$), không mặn.
- Nhóm 2 (Ít thuận lợi): Đất bùn sét nguồn gốc sông - biển và biển - đầm lầy ($amQ_2, mbQ_2$), chia thành Phụ nhóm 2a (ít mặn/không mặn tại Hậu Giang, Tiền Giang) và Phụ nhóm 2b (nhiễm mặn mặn đến rất mặn tại Bạc Liêu, Cà Mau với $TSMT > 1,0%$).
- Nhóm 3 (Không thuận lợi): Đất than bùn hóa nguồn gốc đầm lầy ($abQ_2^{31}$) tại Kiên Giang, hàm lượng hữu cơ cao ($HLHC = 10 - 35%$), có tính axit ($pH < 5,5$).
2. Tại sao đất than bùn hóa Kiên Giang khi gia cố bằng xi măng đơn thuần lại bị suy giảm cường độ sau 28 đến 56 ngày?
Nguyên nhân do hàm lượng hữu cơ cao (axit humic chiếm tỷ lệ lớn) trong đất than bùn hóa phản ứng với lượng vôi tự do $Ca(OH)_2$ sinh ra từ quá trình thủy hóa xi măng, làm suy giảm môi trường kiềm ($pH$ giảm dần theo thời gian). Quá trình này ức chế phản ứng puzolanic và hòa tan một phần các khoáng liên kết canxi hydrat silicat (C-S-H), dẫn đến cấu trúc đất gia cố bị xốp rỗng và suy giảm cường độ từ 8% đến 22% ở 91 ngày tuổi so với 28 ngày tuổi.
3. Tỷ lệ phụ gia tối ưu được luận án đề xuất để xử lý đất than bùn hóa và đất bùn sét nhiễm mặn là bao nhiêu?
- Đối với đất than bùn hóa (Nhóm 3): Xi măng hàm lượng 350 kg/m³ kết hợp với 1,0 - 1,5% phụ gia Rovo và 4% vôi bột.
- Đối với đất bùn sét nhiễm mặn mặn đến rất mặn (Phụ nhóm 2b): Xi măng hàm lượng 200 kg/m³ kết hợp với 2% thạch cao ($CaSO_4$), 2 - 4% vôi và 0,5% thủy tinh lỏng ($Na_2SiO_3$), có thể phối trộn thêm 15 - 25% cát để tăng hạt thô.
4. Mối quan hệ giữa cường độ nén của mẫu chế bị trong phòng thí nghiệm và mẫu khoan lấy lõi cọc ngoài hiện trường được ghi nhận như thế nào?
Qua kiểm chứng 510 mẫu lõi cọc đất - xi măng tại Kiên Giang và Hậu Giang (sử dụng xi măng T30 và N40), cường độ kháng nén của mẫu hiện trường ($q_{u,ht}$) đạt từ 0,33 đến 0,67 lần cường độ mẫu chế bị trong phòng ($q_{u,phòng}$) ở cùng tuổi bảo dưỡng. Sự chênh lệch này bắt nguồn từ điều kiện xáo trộn cơ học ở hiện trường không đồng nhất bằng phòng thí nghiệm và ảnh hưởng của chế độ dòng thấm nước ngầm tự nhiên.
5. Loại xi măng nào cho hiệu quả gia cố tốt nhất đối với đất bùn sét yếu vùng Đồng bằng sông Cửu Long?
Kết quả thực nghiệm trên 5 loại xi măng cho thấy các dòng xi măng Pooc lăng hỗn hợp mác PCB40 có hàm lượng oxit canxi ($CaO$) và hàm lượng khoáng alit ($C_3S$) cao như Hà Tiên PCB40 (HT40) và Kiên Lương PCB40 (K40) cho cường độ kháng nén cao hơn từ 18% đến 32% so với dòng xi măng mác PCB30 (T30). Đối với đất nhiễm mặn, xi măng giàu $CaO$ giúp thúc đẩy phản ứng tạo khoáng ổn định tốt hơn.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Vũ Ngọc Bình đã giải quyết một cách có hệ thống bài toán ảnh hưởng của các đặc tính xây dựng nội tại của đất loại sét yếu Đồng bằng sông Cửu Long đến chất lượng gia cố bằng chất kết dính vô cơ. Bằng khối lượng thực nghiệm quy mô lớn kết hợp phân tích đa biến, công trình đã xác lập phân loại 3 nhóm đất nền theo mức độ thích hợp gia cố xi măng và làm sáng tỏ nguyên nhân suy giảm cường độ trên đất than bùn hóa và đất nhiễm mặn. Giải pháp kỹ thuật sử dụng xi măng kết hợp phụ gia Rovo, vôi, thạch cao và thủy tinh lỏng do luận án đề xuất đã khắc phục được hiện tượng suy thoái liên kết xi măng đất, mở ra phương án xử lý nền kinh tế và bền vững cho các công trình hạ tầng, thủy lợi quy mô vừa và nhỏ trong điều kiện phức tạp của vùng đồng bằng.
