Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng (mã số: 62 58 02 11) của nghiên cứu sinh Vũ Ngọc Bình, thực hiện tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Quốc Dũng, bảo vệ năm 2018 tại Hà Nội, tập trung nghiên cứu thực nghiệm và định lượng hóa ảnh hưởng của đặc tính xây dựng đất loại sét yếu đến hiệu quả gia cố nền bằng xi măng kết hợp phụ gia tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL).

Vùng ĐBSCL có địa hình trũng thấp, bề mặt bị bao phủ bởi lớp trầm tích trẻ tuổi Holocen có bề dày lớn (khoảng 10 đến trên 20 m), đa số là đất yếu có khả năng chịu tải thấp ($R_0 < 100\text{ kPa}$), tính nén lún cao, hệ số rỗng lớn và mô đun biến dạng thấp ($E < 5000\text{ kPa}$). Khu vực này thường xuyên chịu tác động của triều cường, xâm nhập mặn, xói lở bờ sông bờ biển. Đồng thời, nguồn vật liệu đất đắp thay thế rất khan hiếm, đòi hỏi phải tận dụng và cải tạo đất tại chỗ. Phương pháp gia cố đất bằng xi măng (công nghệ trộn sâu CDM, khoan phụt vữa cao áp Jet-grouting) đã được ứng dụng tại một số công trình thủy lợi, giao thông nhưng chủ yếu dựa trên các thí nghiệm sản xuất đơn lẻ, thiếu đánh giá toàn diện về các đặc tính thành phần đất (thành phần hạt, khoáng vật, hóa học, hàm lượng hữu cơ, độ mặn/muối tan, pH, dung lượng trao đổi cation CEC) dẫn đến việc kiểm soát chất lượng sau gia cố chưa ổn định. Đất phèn và đất mặn chiếm trên 60% diện tích ĐBSCL, thường kèm theo vật chất hữu cơ gây ức chế quá trình thủy hóa xi măng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

  1. Làm sáng tỏ mức độ ảnh hưởng của đặc tính xây dựng, đặc biệt là các đặc điểm thành phần của đất loại sét yếu vùng ĐBSCL đến chất lượng đất gia cố bằng xi măng.
  2. Nghiên cứu, đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả gia cố bằng xi măng kết hợp phụ gia đối với nhóm đất có tính chất bất lợi (đất than bùn hóa và đất bùn sét nhiễm mặn từ mức mặn đến rất mặn).

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Xác định đặc điểm phân bố, đặc trưng cơ lý và thành phần (hạt, khoáng vật, hóa học, CEC, pH, độ mặn, hữu cơ) của đất loại sét yếu phổ biến tại ĐBSCL.
  2. Đánh giá ảnh hưởng định lượng của các thành phần đất đến cường độ kháng nén một trục ($q_u$), mô đun biến dạng ($E_{50}$), cường độ kháng kéo ($R_k$) của đất gia cố xi măng; xây dựng mối quan hệ tương quan giữa mẫu thí nghiệm trong phòng và mẫu lấy từ lõi cọc hiện trường.
  3. Nghiên cứu cơ chế tác dụng và xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu của các phụ gia (thạch cao, vôi, thủy tinh lỏng, phụ gia Rovo) kết hợp với xi măng để gia cố các loại đất yếu bất lợi.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Các loại sét yếu phân bố trong phạm vi chiều sâu 20 m thuộc trầm tích Holocen tại ĐBSCL phục vụ các công trình quy mô vừa và nhỏ (đê bao, bờ bao, cống dưới đê, hạ tầng giao thông, nhà dân dụng và công nghiệp thấp tầng).
  • Phạm vi: Nghiên cứu các đặc tính thành phần đất ảnh hưởng đến chất lượng đất gia cố xi măng và xi măng kết hợp phụ gia; nghiên cứu thực nghiệm trên mẫu đất lấy tại 6 tỉnh đại diện: An Giang, Tiền Giang, Hậu Giang, Kiên Giang, Bạc Liêu và Cà Mau.

Luận điểm bảo vệ:

  • Luận điểm 1: Dựa trên sự ảnh hưởng của đặc tính xây dựng đến chất lượng đất gia cố xi măng, đất loại sét yếu ĐBSCL được phân thành 3 nhóm: Nhóm 1 (thuận lợi cho cải tạo), Nhóm 2 (ít thuận lợi), Nhóm 3 (không thuận lợi).
  • Luận điểm 2: Đối với đất Nhóm 3 (than bùn hóa) và Phụ nhóm 2b (bùn sét nhiễm mặn mức mặn đến rất mặn), việc sử dụng phụ gia khoáng và hoạt tính (thạch cao 2%, Rovo 1,0–1,5%, vôi 2–4%, thủy tinh lỏng 0,5%) kết hợp với xi măng giúp gia tăng cường độ kháng nén, kháng kéo và đảm bảo độ ổn định phát triển cường độ theo thời gian.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan các nghiên cứu quốc tế:

  • Công nghệ gia cố đất bằng chất kết dính vô cơ (vôi, xi măng) được phát triển từ những năm 1960–1970 tại Thụy Điển và Phần Lan với các công trình của Broms & Boman (1977), Rathmayer & Liminen (1980), Nieminen (1977), Vitanen (1977), Jim Mitchell (1981), Holin và nnk (1983), Kujala & Lahtinen (STO-91), Kaltedt & Halkola (1993), Kukko & Puohomaki (1995), Hakan Berdenberg & Gora Holm (1999).
  • Tại Mỹ, công nghệ trộn sâu được nghiên cứu từ năm 1954 bởi Prepakt Co., sau đó được phát triển xử lý chống hóa lỏng và gia cố đập đất (Jasperse & Ryan 1992, Walker 1994, Taki & Yang 1991, Yang & Takeshima 1994).
  • Tại Nhật Bản, công nghệ trộn vôi (DLM, 1974), trộn ướt xi măng (CDM, 1975) và trộn khô (DJM, 1976–1980) được ứng dụng với khối lượng hàng chục triệu mét khối (Honjo 1982, Hirama & Toriihara 1983, Inatomi và nnk 1985, Suzuki và nnk 1986, 1988, Kitazume 1996, Mitsuhashi và nnk 1996).
  • Tại Trung Quốc và các nước Đông Nam Á: Meei-Hoan Ho & Chee-Ming Chan (2008) nghiên cứu đất sét yếu Malaysia; Hossein Moayedi, Bujang B.K. Huat & Sina Kazemian nghiên cứu thủy tinh lỏng $Na_2SiO_3$ kết hợp muối $CaCl_2, Al_2(SO_4)_3$; Huie Chen & Qing Wang nghiên cứu phụ gia đông cứng nhanh ($Na_2SO_4, NaCl$, triethanolamin, $CaSO_4$); Roslan Hashim & Md. Shahidul Islam nghiên cứu đất than bùn gia cố xi măng và bentonit; Nguyễn Duy Quang, Jin Chun Chai và nnk (2012) nghiên cứu bùn nạo vét Ariake (Nhật Bản); Sivapullaiah & Jha (2009) nghiên cứu đất sét kaolinit với $Ca(OH)_2$ và $CaCl_2$; Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) nghiên cứu ứng dụng phụ gia Rovo.
  • Về yếu tố thành phần: Elenovich (1969), Bell (1993) phân loại ảnh hưởng cấp phối hạt; Samôilov, Ariizumi, Smith (1962) nghiên cứu ngưỡng tác động của muối $Cl^-$, $SO_4^{2-}$, $CO_3^{2-}$; Mohd Yunus R. (2012) làm rõ ảnh hưởng của axit humic gây suy giảm cường độ; Sherwood (1971), Sina Kazemian và nnk (2011) chỉ ra môi trường $pH < 7$ (đặc biệt $pH = 3\div 5$) ức chế quá trình thủy hóa và phản ứng puzolanic.

Tổng quan các nghiên cứu tại Việt Nam:

  • Giai đoạn 1967–1985: Các nghiên cứu của Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Kỹ thuật Giao thông, Viện Khoa học Kỹ thuật Xây dựng (1980–1985), Hồ Chất (1985), Nguyễn Trấp (1984–1993).
  • Giai đoạn 2000 đến nay: Tạ Đức Thịnh (2002) nghiên cứu cọc cát – xi măng – vôi tại Thái Bình; Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (2002) ứng dụng Jet-grouting xử lý đê kè, cống; Đỗ Minh Toàn (1993, 2011) nghiên cứu đặc tính xây dựng trầm tích $amQ_2^{2-3}$ và ảnh hưởng của khoáng hóa, muối, phèn tại Trà Vinh, Cần Thơ, Tiền Giang; Lê Thị Phòng (2005) nghiên cứu phụ gia SA44/LS40; Nguyễn Thị Thắm & Đỗ Minh Toàn (2008) nghiên cứu phụ gia tro trấu; Trịnh Thị Huế (2009) nghiên cứu đất bùn sét Trà Vinh; Phạm Minh Tuấn (2001) nghiên cứu đất chứa hữu cơ Hà Nội; Đậu Văn Ngọ (2008) nghiên cứu đất gia cố tại dự án Đại lộ Đông Tây; Nguyễn Thị Thu Quỳnh (2010), Nguyễn Thị Nụ & Đỗ Minh Toàn (2010) nghiên cứu ảnh hưởng của muối tại Cà Mau, Sóc Trăng, Tiền Giang.

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết: Các nghiên cứu trước đây tại ĐBSCL chủ yếu tập trung vào thí nghiệm cơ học đầm chặt hoặc đánh giá phục vụ dự án cụ thể, chưa phân tích toàn diện và định lượng sự tương tác đồng thời của các yếu tố thành phần tự nhiên (hàm lượng hạt mịn, khoáng vật sét, oxit hóa học, muối tan, cation trao đổi, axit humic, pH) đến quá trình hình thành cấu trúc đất – xi măng. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng chuỗi dữ liệu thực nghiệm quy mô lớn kết hợp phân tích đa biến, đồng thời đưa ra giải pháp phụ gia cho đất than bùn hóa và đất nhiễm mặn cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Quá trình gia cố đất bằng xi măng dựa trên hai nhóm phản ứng hóa lý kế tiếp nhau:

  1. Phản ứng thủy hóa ban đầu của xi măng Portland: Các khoáng clinker ($C_3S, C_2S, C_3A, C_4AF$) phản ứng với nước tạo thành hydro-silicat calci ($C-S-H$), hydro-aluminat calci ($C-A-H$) và giải phóng calci hydroxit $Ca(OH)_2$. Quá trình này tạo khung liên kết tinh thể sơ cấp và nâng cao độ kiềm của môi trường ($pH > 12$).
  2. Phản ứng puzolanic thứ cấp: $Ca(OH)_2$ sinh ra phản ứng với các khoáng vật sét ($SiO_2$ và $Al_2O_3$ hoạt tính trên bề mặt hạt sét) tạo thành các hợp chất kết dính bền vững không tan trong nước ($CSH$ và $CAH$ thứ cấp), làm tăng mật độ hạt và bịt kín lỗ rỗng.
  3. Phản ứng trao đổi ion: Cation $Ca^{2+}$ từ chất kết dính thay thế các cation đơn hóa trị ($Na^+, K^+$) trong phức hệ hấp phụ của đất sét, làm giảm thế điện động zeta, giảm chiều dày lớp khuếch tán kép, gây keo tụ và đông tụ các hạt sét mịn.

Cơ chế gây hại của các hợp chất cản trở:

  • Axit humic và chất hữu cơ tạo màng bọc quanh hạt xi măng, hấp thụ ion $Ca^{2+}$, hạ thấp pH môi trường làm chậm hoặc triệt tiêu phản ứng thủy hóa và phản ứng puzolanic, dẫn đến hiện tượng suy giảm cường độ sau 28 ngày.
  • Muối sulfat nồng độ cao ($> 3%$) phản ứng với $C-A-H$ tạo khoáng ettringite trương nở thể tích gây nứt vi cấu trúc. Ngược lại, muối clorua ở hàm lượng nhỏ ($< 3%$) đóng vai trò chất xúc tác thúc đẩy phản ứng đóng rắn.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp phương pháp kế thừa, phương pháp thực nghiệm tiêu chuẩn trong phòng - hiện trường và phương pháp phân tích thống kê đa biến:

  • Tiếp cận kế thừa: Thu thập, tổng hợp 25 báo cáo khảo sát địa chất công trình, mặt cắt địa tầng Đệ Tứ tại 13 tỉnh/thành phố ĐBSCL.
  • Tiếp cận thực nghiệm trong phòng: Lấy mẫu nguyên dạng và không nguyên dạng tại 6 tỉnh trọng điểm (An Giang, Tiền Giang, Hậu Giang, Kiên Giang, Bạc Liêu, Cà Mau). Tiến hành các thí nghiệm:
    • Phân tích thành phần hạt bằng phương pháp tỷ trọng kế và sàng theo TCVN 4198:2014.
    • Phân tích thành phần khoáng vật bằng nhiễu xạ tia X (XRD).
    • Phân tích thành phần hóa học ($SiO_2, Al_2O_3, Fe_2O_3, CaO, MgO, SO_3$, MKN) bằng phương pháp hóa ướt và huỳnh quang tia X (XRF).
    • Thí nghiệm dung lượng trao đổi cation (CEC) bằng phương pháp Amoni axetat.
    • Thí nghiệm xác định tổng muối tan (TSMT), các anion ($Cl^-, SO_4^{2-}, HCO_3^-$), cation ($Ca^{2+}, Mg^{2+}, Na^+, K^+$), hàm lượng hữu cơ (phương pháp Walkley-Black) và $pH_{H_2O}$.
    • Chế bị trên 3.600 mẫu đất – xi măng (kích thước hình trụ $d = 50\text{ mm}, h = 100\text{ mm}$ hoặc $d = 70\text{ mm}, h = 140\text{ mm}$ theo công nghệ trộn ướt). Thí nghiệm nén một trục không hạn chế nở hông ($q_u$) theo ASTM D2166, xác định mô đun biến dạng $E_{50}$ và thí nghiệm ép chẻ xác định cường độ kháng kéo ($R_k$) ở các ngày tuổi 7, 14, 28, 56, 91 và 180 ngày.
    • Các loại xi măng sử dụng: Hà Tiên PCB40 (HT40), Kiên Lương PCB40 (K40), Tây Đô PCB30 (T30), Tây Đô PCB40 (T40), Nghi Sơn PCB40 (N40).
    • Phụ gia nghiên cứu: Phụ gia khoáng Rovo (0,5–2,0%), vôi sống CaO (2–6%), thủy tinh lỏng $Na_2SiO_3$ (0,5–1,0%), thạch cao $CaSO_4$ (1–3%), kết hợp phối trộn cát điều chỉnh cấp phối hạt.
  • Tiếp cận thực nghiệm hiện trường: Khoan lấy 510 mẫu lõi cọc đất – xi măng thi công bằng công nghệ trộn sâu (CDM) và Jet-grouting tại các công trình ở Kiên Giang và Hậu Giang để thí nghiệm $q_u, E_{50}$, so sánh với mẫu đúc trong phòng.
  • Tiếp cận phân tích xử lý số liệu: Sử dụng phần mềm thống kê, phương pháp phân tích trọng số đa biến để xác định mức độ tác động của từng yếu tố thành phần đất đến cường độ gia cố.

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 các cơ sở lý luận và thực tiễn về đất yếu và xử lý nền đất yếu bằng xi măng, vôi và phụ gia trên thế giới và tại Việt Nam.

Nội dung trọng tâm:

  • Định nghĩa và đặc trưng kỹ thuật của đất loại sét yếu: Đất có sức chịu tải $R_0 < 100\text{ kPa}$, mô đun biến dạng $E < 5000\text{ kPa}$, độ sệt $B > 0,5$, sức kháng cắt không thoát nước $c_u \le 15\text{ kPa}$, góc ma sát trong $\varphi \approx 0^\circ$, hệ số rỗng tự nhiên $e_0 > 1,0$ (đối với sét pha) và $e_0 \ge 1,5$ (đối với bùn sét).
  • Phân loại chất kết dính vô cơ thành 3 nhóm: chất kết dính rắn trong không khí (vôi, thạch cao, thủy tinh lỏng), chất kết dính rắn trong nước (xi măng Portland, xi măng xỉ, vôi thủy) và chất kết dính bền môi trường xâm thực.
  • Tổng kết các công nghệ thi công: Trộn sâu dạng ướt (CDM), trộn sâu dạng khô (DJM) và khoan phụt vữa cao áp (Jet-grouting).
  • Phân tích ảnh hưởng của từng đặc tính xây dựng đất đến chất lượng gia cố:
    • Cấp phối hạt: Đất nhiều hạt thô cho cường độ cao hơn đất nhiều hạt sét mịn do diện tích bề mặt riêng nhỏ, tiêu hao ít chất kết dính.
    • Muối tan: Muối $NaCl, CaCl_2, MgCl_2 < 5%$ kích thích phản ứng; muối $Na_2SO_4 > 3%$ phá hủy liên kết xi măng.
    • Vật chất hữu cơ (axit humic): Làm giảm pH, liên kết với ion $Ca^{2+}$, gây xốp rỗng cấu trúc và làm suy giảm cường độ từ 7 đến 90 ngày (mức suy giảm lên tới 7,8% đến 31,7%).
    • Khoáng vật sét: Nhóm Montmorillonite phản ứng mạnh với vôi/xi măng nhưng hút nhiều nước; nhóm Kaolinite và Illite có tính ổn định hơn.
    • Môi trường pH: Môi trường $pH < 7$ cản trở thủy hóa; môi trường $pH = 12\div 13$ là tối ưu cho sự hình thành $C-S-H$.

Chương 2: Nghiên cứu đặc điểm thành phần của đất loại sét yếu vùng Đồng bằng sông Cửu Long

Chương 2 trình bày chi tiết lịch sử địa chất Đệ Tứ, quy luật phân bố địa tầng và kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu thành phần của đất loại sét yếu tại các khu vực nghiên cứu.

Nội dung và số liệu chính:

  • Lịch sử trầm tích Đệ Tứ: Trải qua các chu kỳ biển tiến – biển lùi tương ứng các thời kỳ Pleistocen ($Q_1, Q_1^{1-2}, Q_1^2$) và Holocen ($Q_2^{1-2}, Q_2^{2-3}, Q_2^3$). Các trầm tích sét yếu bề mặt chủ yếu thuộc Holocen với các nguồn gốc: sông ($a$), sông – biển ($am$), biển ($m$), biển – đầm lầy ($mb$), sông – đầm lầy ($ab$).
  • Địa tầng phân bố đất yếu: Bề dày tầng sét yếu thay đổi từ 8 m đến trên 20 m tại các tỉnh nghiên cứu (An Giang: trầm tích $aQ_2^{32}$; Tiền Giang: trầm tích $amQ_2^{2-31}$; Hậu Giang: trầm tích $amQ_2^{2-32}$; Bạc Liêu và Cà Mau: trầm tích $mbQ_2^{32}$; Kiên Giang: trầm tích $abQ_2^{31}$).
  • Thành phần hạt: Hàm lượng hạt sét ($< 0,005\text{ mm}$) chiếm từ 35,2% đến 68,4%; hạt bụi ($0,005–0,05\text{ mm}$) chiếm 25,1% đến 48,6%; hạt cát ($> 0,05\text{ mm}$) rất thấp, chỉ từ 1,2% đến 12,5%.
  • Thành phần khoáng vật sét: Gồm Kaolinite (20–45%), Illite/Hydromica (25–40%), Montmorillonite/Smectite (15–30%), Chlorite (5–15%) và khoáng vụn thạch anh Quartz (15–35%).
  • Thành phần hóa học: Hàm lượng $SiO_2$ chiếm 52,4–64,8%; $Al_2O_3$ chiếm 14,2–21,6%; $Fe_2O_3$ chiếm 4,5–8,2%; $CaO$ và $MgO$ thấp (1,1–3,2%); hàm lượng mất khi nung (MKN) từ 6,5% đến 22,8% (cao nhất ở đất than bùn hóa Kiên Giang).
  • Đặc tính hóa lý:
    • Dung lượng trao đổi cation (CEC): Dao động từ 16,5 đến 38,2 meq/100g đất khô, các cation trao đổi chủ yếu là $Mg^{2+}, Na^+, Ca^{2+}$.
    • Hàm lượng hữu cơ (HLHC): Đất sét, sét pha An Giang có HLHC thấp (0,8–1,8%); bùn sét Tiền Giang, Hậu Giang, Bạc Liêu có HLHC trung bình (2,1–4,5%); bùn sét Cà Mau có HLHC từ 3,2% đến 8,5%; đất than bùn hóa Kiên Giang có HLHC rất cao (18,5–45,2%).
    • Độ mặn và dạng nhiễm muối: Đất An Giang thuộc loại không mặn; đất Tiền Giang, Hậu Giang nhiễm mặn yếu đến trung bình; đất Bạc Liêu, Cà Mau nhiễm mặn mặn đến rất mặn ($TSMT = 0,85–2,45%$, dạng nhiễm Clorua – Sunfat).
    • Môi trường pH: $pH_{H_2O}$ dao động từ 4,2 (đất phèn, than bùn hóa) đến 7,8 (bùn sét ven biển).

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 thí nghiệm cơ học đất – xi măng, đánh giá tương quan và phân tích định lượng ảnh hưởng của từng yếu tố thành phần bằng phương pháp trọng số đa biến.

Nội dung và số liệu chính:

  • Quy luật phát triển cường độ kháng nén ($q_u$):
    • Cường độ $q_u$ tăng theo hàm lượng xi măng (khảo sát từ 150, 200, 250, 300 đến $350\text{ kg/m}^3$) và thời gian bảo dưỡng (7, 14, 28, 56, 91, 180 ngày).
    • Tương quan cường độ giữa các ngày tuổi: $q_{u,7} \approx (0,45\div 0,60) q_{u,28}$; $q_{u,14} \approx (0,70\div 0,82) q_{u,28}$; $q_{u,91} \approx (1,15\div 1,40) q_{u,28}$; $q_{u,180} \approx (1,25\div 1,55) q_{u,28}$ đối với đất khoáng vô cơ thông thường.
    • Đối với đất than bùn hóa Kiên Giang và bùn sét hữu cơ Cà Mau: $q_u$ đạt đỉnh ở 28–56 ngày, sau đó chững lại hoặc suy giảm 10–25% ở 91–180 ngày nếu không có phụ gia trung hòa.
  • Quan hệ giữa mô đun biến dạng và cường độ kháng nén:
    • Mô đun biến dạng $E_{50}$ tỷ lệ thuận với $q_u$, nằm trong khoảng $E_{50} = (100\div 250) q_u$ tùy thuộc vào loại đất và hàm lượng chất kết dính.
  • Ảnh hưởng của các yếu tố thành phần:
    • Cấp phối hạt: Bổ sung 15–25% cát vào bùn sét mịn giúp tăng $q_u$ từ 30% đến 55% ở cùng hàm lượng xi măng.
    • Hàm lượng hữu cơ: Khi HLHC vượt quá 5%, cường độ gia cố giảm mạnh; với đất than bùn hóa ($HLHC > 20%$), phản ứng thủy hóa bị ức chế nghiêm trọng.
    • Hàm lượng muối: Muối $NaCl$ dưới 1% làm tăng tốc độ đông kết và tăng nhẹ $q_u$; hàm lượng muối cao kết hợp gốc $SO_4^{2-}$ làm giảm độ bền dài hạn.
    • Thành phần khoáng vật: Tỷ lệ khoáng Illite và Kaolinite cao cho cường độ gia cố ổn định hơn đất có hàm lượng Montmorillonite cao.
  • Quan hệ cường độ giữa mẫu trong phòng và mẫu hiện trường (lấy từ lõi cọc CDM và Jet-grouting):
    • Cường độ mẫu hiện trường đạt $q_{u,ht} = (0,33\div 0,67) q_{u,lab}$ do điều kiện trộn tại chỗ không đồng nhất bằng thiết bị phòng thí nghiệm.

Bảng tổng hợp phân loại 3 nhóm đất loại sét yếu vùng ĐBSCL theo mức độ thuận lợi cho cải tạo bằng xi măng:

Nhóm đất Phân bố địa tầng & Địa phương Đặc trưng thành phần (HLHC, Muối, pH, Cấp phối) Khả năng gia cố bằng xi măng thông thường Cường độ $q_{u,28}$ đạt được ($HLXM = 250\text{ kg/m}^3$) Giải pháp kỹ thuật bổ sung
Nhóm 1: Thuận lợi Sét, sét pha $aQ_2^{32}$ (An Giang, Cần Thơ) $HLHC < 2%$; không mặn ($TSMT < 0,2%$); $pH = 6,8\div 7,5$; chứa cát bụi Rất tốt, cường độ tăng liên tục theo thời gian $1200 - 2200\text{ kPa}$ Dùng xi măng thông thường (PCB30, PCB40), không cần phụ gia
Nhóm 2: Ít thuận lợi Bùn sét, sét pha $amQ_2^{2-31}, amQ_2^{2-32}, mbQ_2^{32}$ (Tiền Giang, Hậu Giang, Bạc Liêu, Cà Mau) $HLHC = 2\div 6%$; mặn yếu đến rất mặn ($TSMT = 0,5\div 2,5%$); hạt mịn chiếm $>60%$ Trung bình; phụ nhóm 2b (nhiễm mặn cao Cà Mau) phát triển cường độ chậm $450 - 950\text{ kPa}$ Tăng hàm lượng xi măng hoặc bổ sung phụ gia khoáng/vôi (2–4%) cho Phụ nhóm 2b
Nhóm 3: Không thuận lợi Đất than bùn hóa $abQ_2^{31}$ (Kiên Giang, vùng đầm lầy trũng) $HLHC = 10\div 45%$; $pH = 4,0\div 5,5$; độ ẩm $W > 85%$; tính nén lún rất cao Kém; mẫu bị suy giảm cường độ sau 28–56 ngày $< 300\text{ kPa}$ (thậm chí không đóng rắn) Bắt buộc sử dụng tổ hợp phụ gia (Vôi + Rovo/Thạch cao + Thủy tinh lỏng)

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 thực nghiệm các giải pháp phụ gia nhằm xử lý hai đối tượng đất phức tạp nhất: Đất Phụ nhóm 2b (bùn sét nhiễm mặn mức mặn đến rất mặn tại Cà Mau) và Đất Nhóm 3 (than bùn hóa tại Kiên Giang).

Nội dung và kết quả thực nghiệm:

  • Cơ sở khoa học tác dụng của phụ gia:
    • Vôi sống ($CaO$): Trung hòa độ chua của đất ($pH$ tăng lên $> 11$), khử độc axit humic, cung cấp ion $Ca^{2+}$ thúc đẩy keo tụ sét.
    • Phụ gia Rovo: Làm thay đổi quá trình hydrat hóa, hình thành cấu trúc vi sợi tinh thể đan xen bịt kín lỗ rỗng, tăng độ cứng và ngăn chặn suy giảm cường độ.
    • Thạch cao ($CaSO_4$): Thúc đẩy quá trình hình thành khoáng ettringite sớm, tạo cường độ ban đầu.
    • Thủy tinh lỏng ($Na_2SiO_3$): Phản ứng nhanh với $Ca(OH)_2$ tạo gel calci silicat ngậm nước làm đông cứng nhanh hỗn hợp.
    • Phụ gia cát: Cải thiện thành phần cấp phối hạt, giảm diện tích bề mặt riêng của khối hạt mịn.
  • Kết quả thực nghiệm đối với Đất Phụ nhóm 2b (bùn sét Cà Mau, $HLXM = 200\text{ kg/m}^3$):
    • Khi sử dụng xi măng PCB40 kết hợp 2–4% vôi và 1,0% phụ gia Rovo: Cường độ $q_{u,28}$ tăng từ 40% đến 65% so với mẫu chỉ dùng xi măng; cường độ kháng kéo ép chẻ $R_k$ tăng 35–50%.
    • Việc trộn thêm 15–20% cát giúp hỗn hợp đạt cường độ nén $q_{u,28} > 1000\text{ kPa}$.
  • Kết quả thực nghiệm đối với Đất Nhóm 3 (than bùn hóa Kiên Giang, $HLXM = 350\text{ kg/m}^3$):
    • Mẫu chỉ dùng xi măng thông thường: $q_{u,28}$ thấp ($180–260\text{ kPa}$), đến 91 ngày bị nứt vỡ và suy giảm cường độ do tác động của axit humic.
    • Khi phối trộn tổ hợp phụ gia tối ưu (Xi măng $350\text{ kg/m}^3$ + 4% Vôi + 2% Thạch cao + 1,0–1,5% Rovo + 0,5% Thủy tinh lỏng): Cường độ $q_{u,28}$ đạt $650–820\text{ kPa}$, $q_{u,91}$ tiếp tục tăng trưởng ổn định đạt $850–1050\text{ kPa}$ (tăng gấp 3,5–4,0 lần so với mẫu không phụ gia), cường độ kháng kéo $R_{k,28}$ đạt $85–120\text{ kPa}$.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học:

  1. Đã đánh giá toàn diện và định lượng được ảnh hưởng tương tác của các đặc tính xây dựng (thành phần hạt, khoáng vật sét, thành phần hóa học oxit, hàm lượng hữu cơ, nồng độ muối tan, pH và dung lượng trao đổi cation CEC) đến động thái phát triển cường độ và biến dạng của đất loại sét yếu gia cố xi măng tại ĐBSCL.
  2. Xây dựng được bảng phân loại đất loại sét yếu vùng ĐBSCL thành 3 nhóm theo mức độ thuận lợi cho công tác cải tạo nền bằng xi măng (Nhóm 1: Thuận lợi; Nhóm 2: Ít thuận lợi; Nhóm 3: Không thuận lợi), tạo cơ sở khoa học để lựa chọn giải pháp công nghệ phù hợp.
  3. Làm sáng tỏ cơ chế ức chế thủy hóa của axit humic trong đất than bùn hóa ĐBSCL và cơ chế phục hồi liên kết cấu trúc đất – xi măng khi sử dụng các tổ hợp phụ gia khoáng hoạt tính.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn kỹ thuật:

  1. Đề xuất quy trình và tỷ lệ phối trộn phụ gia tối ưu cho đất than bùn hóa (Vôi 4% + Thạch cao 2% + Rovo 1,0–1,5% + Thủy tinh lỏng 0,5%) và bùn sét nhiễm mặn cao (Vôi 2–4% + Rovo 1,0% + cát phụ gia), giúp mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ cọc đất xi măng trong điều kiện địa chất phức tạp.
  2. Thiết lập hệ số chuyển đổi cường độ thực tế giữa thí nghiệm trong phòng và hiện trường ($q_{u,ht} = 0,33\div 0,67 q_{u,lab}$) cùng các bảng kiến nghị định mức hàm lượng xi măng tương ứng với từng nhóm đất ở tuổi 28 ngày và 91 ngày, phục vụ trực tiếp công tác tính toán thiết kế và nghiệm thu công trình.

Kiến nghị kỹ thuật:

  • Khi khảo sát địa chất công trình phục vụ xử lý nền bằng xi măng tại ĐBSCL, bắt buộc phải phân tích bổ sung các chỉ tiêu: hàm lượng hữu cơ (axit humic), độ mặn tổng số ($TSMT$), các loại ion hòa tan ($Cl^-, SO_4^{2-}$), pH và thành phần khoáng vật sét.
  • Đối với đất có hàm lượng hữu cơ $HLHC > 5%$ hoặc đất than bùn hóa, tuyệt đối không sử dụng xi măng đơn thuần mà phải thiết kế phối trộn phụ gia vô cơ/hoạt tính theo khuyến nghị của luận án.
  • Trong thi công cọc xi măng đất (CDM/Jet-grouting), cần kiểm soát chặt chẽ tỷ lệ nước/xi măng ($N/X = 0,8\div 1,2$) và tốc độ quay/rút cần khoan để đảm bảo độ đồng đều của khối gia cố tại hiện trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào tầng đất loại sét yếu phân bố trong chiều sâu 20 m tại khu vực ĐBSCL phục vụ công trình quy mô vừa và nhỏ; chưa mở rộng cho các tầng đất sâu hơn hoặc các khu vực đồng bằng khác.
  • Dữ liệu đối chứng hiện trường (lõi cọc) mới được thu thập chủ yếu từ hai công nghệ phổ biến là khoan trộn sâu (CDM) và khoan phụt vữa cao áp (Jet-grouting) tại Kiên Giang và Hậu Giang.
  • Thời gian theo dõi diễn biến cường độ dài hạn của mẫu gia cố hiện trường tối đa là 180 ngày; chưa đánh giá độ bền xâm thực dài hạn trên 1 năm trong môi trường ngập nước mặn – phèn chu kỳ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Tiếp tục theo dõi độ bền lâu, khả năng chống ăn mòn hóa học và tính chất lưu biến của đất – xi măng kết hợp phụ gia dưới tác động xâm thực của biến đổi khí hậu và nước biển dâng.
  • Nghiên cứu ứng dụng các nguồn phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp sẵn có tại ĐBSCL (như tro trấu hoạt tính cao, xỉ lò cao nghiền mịn) để thay thế một phần xi măng nhằm giảm giá thành và phát thải carbon.
  • Mở rộng nghiên cứu quy trình kiểm soát chất lượng không phá hủy (sóng siêu âm, đo điện trở suất) đối với cọc đất xi măng thi công trong nền đất hữu cơ và nhiễm mặn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với các đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng, Công trình thủy công, Địa chất công trình: Sử dụng phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp phân tích trọng số đa biến và cơ sở dữ liệu về tính chất hóa lý trầm tích Đệ Tứ ĐBSCL.
  • Kỹ sư tư vấn khảo sát, thiết kế nền móng: Sử dụng trực tiếp bảng phân loại 3 nhóm đất, các công thức tương quan cường độ ($q_u, E_{50}, R_k$), hệ số quy đổi hiện trường – phòng thí nghiệm ($q_{u,ht}/q_{u,lab}$) và bảng kiến nghị hàm lượng xi măng ở Chương 3 để lập hồ sơ thiết kế xử lý nền cọc đất xi măng.
  • Các ban quản lý dự án, đơn vị thi công và giám sát công trình hạ tầng, thủy lợi tại ĐBSCL: Áp dụng các cấp phối phụ gia ở Chương 4 để giải quyết sự cố công trình khi gặp tầng đất than bùn hóa, bùn sét lẫn hữu cơ hoặc đất nhiễm mặn cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đất than bùn hóa ($abQ_2^{31}$) tại Kiên Giang khi gia cố bằng xi măng thông thường lại bị suy giảm cường độ sau 28–56 ngày? Vật chất hữu cơ trong đất than bùn hóa (chủ yếu là axit humic) tạo ra môi trường có tính axit ($pH = 4,0\div 5,5$) và có khả năng hấp phụ cation rất mạnh. Axit humic hấp phụ các ion $Ca^{2+}$ do xi măng thủy hóa giải phóng ra, ngăn cản sự hình thành khoáng $C-S-H$ và làm suy giảm màng liên kết cấu trúc. Khi lượng $Ca(OH)_2$ tự do bị tiêu hao hết trong môi trường axit, các khoáng xi măng đã hình thành bị phân rã thứ cấp, dẫn đến hiện tượng cường độ $q_u$ ở 91 ngày giảm từ 10% đến 25% so với 28 ngày.

2. Hàm lượng và tổ hợp phụ gia nào được chứng minh đạt hiệu quả tối ưu cho đất than bùn hóa? Tổ hợp phụ gia tối ưu gồm: Xi măng ($350\text{ kg/m}^3$) kết hợp 4% Vôi sống ($CaO$) + 2% Thạch cao ($CaSO_4$) + 1,0–1,5% Phụ gia Rovo + 0,5% Thủy tinh lỏng ($Na_2SiO_3$). Tổ hợp này nâng $pH > 11$, trung hòa axit humic, tạo mạng vi sợi tinh thể bền vững và giúp cường độ $q_{u,91}$ đạt $850–1050\text{ kPa}$, khắc phục hoàn toàn hiện tượng suy giảm cường độ dài hạn.

3. Sự khác biệt về khả năng gia cố giữa đất sét pha $aQ_2^{32}$ (An Giang) và bùn sét $mbQ_2^{32}$ (Cà Mau) là gì? Đất sét pha $aQ_2^{32}$ ở An Giang thuộc Nhóm 1 (thuận lợi): chứa ít hữu cơ ($HLHC < 2%$), không mặn, có thành phần hạt thô/bụi cao, phản ứng thủy hóa diễn ra nhanh, cường độ $q_{u,28}$ đạt $1200–2200\text{ kPa}$ chỉ với xi măng thông thường. Ngược lại, bùn sét $mbQ_2^{32}$ ở Cà Mau thuộc Phụ nhóm 2b (ít thuận lợi): hàm lượng hạt sét mịn $> 60%$, độ mặn cao ($TSMT > 1,5%$), lẫn hữu cơ ($HLHC = 3,2\div 8,5%$), cường độ $q_{u,28}$ chỉ đạt $450–750\text{ kPa}$, đòi hỏi phải bổ sung 2–4% vôi hoặc phụ gia cải thiện.

4. Hệ số tương quan cường độ nén giữa mẫu đúc trong phòng và mẫu khoan lấy từ lõi cọc hiện trường là bao nhiêu? Kết quả thí nghiệm đối chứng trên 510 mẫu lõi cọc tại Kiên Giang và Hậu Giang cho thấy cường độ nén một trục của mẫu hiện trường đạt khoảng $q_{u,ht} = (0,33\div 0,67) q_{u,lab}$. Sự chênh lệch này xuất phát từ độ ẩm tự nhiên biến đổi, mức độ phân tán và độ đồng đều khi trộn vữa xi măng với đất tại hiện trường thấp hơn so với điều kiện đúc và bảo dưỡng tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Vũ Ngọc Bình đã giải quyết một cách hệ thống bài toán nâng cao chất lượng gia cố đất loại sét yếu bằng xi măng kết hợp phụ gia tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long. Thông qua khối lượng thực nghiệm lớn trên 3.600 mẫu trong phòng và 510 mẫu lõi cọc hiện trường, công trình đã xác lập quy luật tác động của các yếu tố thành phần hóa học, khoáng vật, độ mặn và chất hữu cơ đến quá trình phát triển cường độ đất gia cố. Việc phân loại thành công 3 nhóm đất theo mức độ thuận lợi cải tạo và xác lập các cấp phối phụ gia tối ưu cho đất than bùn hóa và đất nhiễm mặn cao mang lại đóng góp quan trọng cả về mặt lý luận địa kỹ thuật lẫn thực tiễn xây dựng công trình thủy lợi, giao thông tại khu vực.