MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Đất yếu không thích hợp để sử dụng làm vật liệu đắp nền đường, nền kho bãi bởi vì đất yếu thường có cấp phối hạt mịn lớn, chỉ số dẻo cao, dễ thay đổi trạng thái rắn-mềm do độ ẩm, nên sức chịu tải giảm thấp khi bị ngập hoặc mưa nhiều. Đất yếu phân bố trên một số khu vực rộng lớn ở Việt nam như khu vực Đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long .Các khu vực này có mật độ dân cư khá cao trong khi hệ thống hạ tầng lại kém phát triển. Việc xây dựng các tuyến đường, đặc biệt đường cao tốc trong những khu vực nêu trên trong thời gian qua đang đặt ra nhiều vấn đề cấp bách. Do địa hình thấp, địa chất yếu nên khối lượng đất đắp nền đường thường rất lớn, khối lượng đất yếu phải đào bỏ thay thế bằng đất tốt hơn cũng rất nhiều, nếu không tuổi thọ của đường sẽ giảm hoặc phải duy tu nhiều.
Hơn nữa, nếu sử dụng đất rời phổ biến như ở nước ta hiện nay để đắp đường thì nguồn cát đắp này sẽ mau chóng cạn kiệt. Đối với phần nền đắp hiện chưa có nhiều công trình cải thiện đất yếu tại chỗ sử dụng làm vật liệu đắp, thay vào đó người ta sử dụng đất rời hoặc những đất có cấp phối hạt thích hợp từ các mỏ đất ở nơi khác. Tiêu chuẩn hiện hành cũng quy định không được sử dụng đất yếu như đất bùn, than bùn để làm vật liệu đắp đường. Như vậy, nguồn vật liệu để đắp nền đường thường là nguồn đất chọn lọc và phải lấy từ các mỏ đất, chỉ có một số ít trường hợp được lấy trực tiếp từ nền đào.
Trong trường hợp đất nền tự nhiên tại khu vực xây dựng không đáp ứng được các yêu cầu của tiêu chuẩn đối với vật liệu đắp nền đường, chi phí xây dựng sẽ tăng cao đáng kể. Vì vậy, việc tìm giải pháp để cải thiện tính năng xây dựng của đất nền tự nhiên tại chỗ để đắp nền đường, bãi nhằm giảm chi phí xây dựng là hết sức cần thiết. Để cải thiện đặc tính địa kỹ thuật của đất yếu để sử dụng làm vật liệu đắp đường cao tốc đã có khá nhiều nghiên cứu sử dụng các chất ổn định như vôi, xi măng, tro bay đã cho một số kết quả khả quan ban đầu. Việc sử dụng công nghệ geopolymer đối với đất yếu đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới ngay càng quan tâm trong vài thập kỷ gần đây, vì đây là một giải pháp có thể cải thiện đặc tính địa kỹ thuật của đất yếu một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Hệ nguyên liệu để chế tạo vật 1 liệu geopolymer bao gồm hai thành phần chính là các nguyên liệu ban đầu và các chất hoạt hóa kiềm. Nguyên liệu aluminosilicate nhằm cung cấp nguồn Si và Al cho quá trình geopolymer hóa xảy ra (thường dùng tro bay, metakaolin, silicafume. Chất hoạt hóa kiềm được sử dụng phổ biến nhất là các dung dịch NaOH, KOH và thủy tinh lỏng Natri Silicat nhằm tạo môi trường kiềm và tham gia vào các phản ứng geopolymer hóa. Hiện nay Việt Nam đã và đang phát triển mạnh công nghiệp nhiệt điện đốt than, do đó nguồn phế thải tro bay, tro đáy từ các nhà máy nhiệt điện này rất lớn, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và chưa có hướng giải quyết.
Đến năm 2019, riêng khu vực phía Nam đã có các cụm nhà máy điện than: Vĩnh tân (Bình thuận), Duyên hải (Trà vinh), Sông Hậu (Hậu giang) được đưa vào sử dụng, vấn đề tro bay đã gây bức xúc cho dân cư địa phương. Mặt khác, theo quy hoạch điện VII, nhu cầu than để làm ra 36.000 MW công suất các nhà máy nhiệt điện năm 2020 là 67 triệu tấn than/năm; và để làm ra 75.000 MW công suất các nhà máy nhiệt điện năm 2030 là 171 triệu tấn than/năm. Quy hoạch điện VII đã đề cập sẽ xây dựng những trung tâm nhiệt điện than lớn tại đồng bằng sông Cửu Long gồm Duyên Hải (Trà Vinh, tổng công suất 4.200 MW), Long Phú (Sóc Trăng, 4.400 MW), Sông Hậu (Hậu Giang, 5.200 MW), Kiên Lương (Kiên Giang, 4.400 MW) sẽ vận hành trước năm 2020 và tiếp đến năm 2030 là Long An (1.200 MW), An Giang (2.000 MW), Bạc Liêu (1. Tổng lượng tro xỉ, gồm xỉ (hay tro đáy) và tro bay từ các nhà máy nhiệt điện than năm 2020 là 27,4 triệu tấn và năm 2030 là 48,7 triệu tấn [2].
Về nguyên tắc, tro xỉ có thể được sử dụng như là phụ gia sản xuất xi măng, sản xuất bê tông, gạch không nung và các loại vật liệu xây dựng khác. Tuy nhiên, do trong tro xỉ còn chứa lượng lớn than chưa kịp cháy hoặc cháy chưa triệt để, có thể lên đến 20-30%, nên để tái sử dụng tro xỉ cần phải qua công đoạn tuyển để tách lượng than này ra, như vậy lại cần phải đầu tư thêm dây chuyền công nghệ tuyển than từ tro xỉ. Hiện nay, công nghệ tuyển than dư từ tro xỉ chưa được phổ biến rộng rãi tại Việt Nam và do vậy việc tái sử dụng tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam còn nhiều hạn chế. Rõ ràng, Việt Nam đang phải đối mặt với một vấn đề môi trường từ việc phát triển các nhà máy nhiệt điện than.
Đó là phải quản lý các bãi chứa tro xỉ với diện tích trên 28.000 ha đến năm 2030, phân bố dọc theo chiều dài đất nước qua các trung tâm điện lực lớn từ miền Bắc, miền Trung cho đến đồng bằng sông Cửu Long. Nghĩa là, nếu không có giải pháp tái sử dụng tro xỉ hợp lý từ các nhà máy nhiệt điện than, chúng ta cần tiêu tốn một diện 2 tích tương đương 39% diện tích quốc đảo Singapore chỉ riêng cho việc tồn chứa tro xỉ cho đến năm 2030, và không loại trừ khả năng các bãi chứa xỉ này xung đột với nhu cầu sử dụng đất cho phát triển đô thị và canh tác nông nghiệp. Theo [3], thống kê toàn cầu cho thấy chỉ có 30% lượng tro xỉ đang được tái sử dụng. Thông tin từ Cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (USEPA) cho thấy, có khoảng 40% tro xỉ được tái sử dụng tại Hoa Kỳ năm 2012.
Rõ ràng việc tái sử dụng tro xỉ các nhà máy nhiệt điện đang là thách thức lớn không chỉ của Việt Nam mà ngay cả ở những nước phát triển. Như vậy, nếu việc nghiên cứu sử dụng tro xỉ để làm đường giao thông thành công sẽ có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ các nhà máy nhiệt điện đốt than, đồng thời đảm bảo phát triển hạ tầng một cách bền vững. Để việc ứng dụng công nghệ geopolymer trong gia cố nền có tính thực tiễn, cần nghiên cứu khả năng trộn đều một khối lượng lớn đất cần gia cố với nguồn nguyên liệu tạo geopolymer, để tạo ra một loại vật liệu có độ bền, độ cứng và độ ổn định trong điều kiện môi trường ở nhiệt độ bình thường, xung quanh 280C. Việc tiến hành những nghiên cứu để tận dụng nguồn đất yếu tại chỗ để làm đường bộ (bao gồm cả phần nền đắp và phần nền), công trình ngầm, kết hợp tận dụng các phế thải công nghiệp như tro bay, tro đáy là cần thiết, cấp bách, có ý nghĩa khoa học, thực tiễn cao.
2 Mục đích nghiên cứu Mục tiêu của đề tài này bao gồm: - Khảo sát tính chất xây dựng, tìm ra cấp phối hợp lý của geopolymer tổng hợp từ đất sét yếu tại chỗ và phế thải công nghiệp tro bay dưỡng hộ trong điều kiện nhiệt độ thường. - Phân tích và đánh giá tiềm năng ứng dụng loại vật liệu geopolymer này để gia cố nền và làm vật liệu đắp nền đường bộ, trong xây dựng công trình ngầm. trên nền đất yếu với điều kiện cụ thể tại Việt Nam. 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần hoàn thiện về mặt lý thuyết việc sử dụng công nghệ geopolymer dựa trên tro bay để cải thiện 3 đặc tính cơ lý của đất sét yếu, làm rõ tiềm năng sử dụng công nghệ này phục vụ thiết kế thi công nền móng và công trình ngầm.
Công nghệ gia cố nền bằng chất kết dính geopolymer cũng mở ra hướng xử lý một lượng lớn phế thải tro xỉ của nhà máy nhiệt điện, góp phần giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường do loại phế thải này gây ra. 4 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: để xây dựng cơ sở khoa học cho vấn đề cải thiện tính chất xây dựng của đất yếu thông qua việc thay đổi cấu trúc của nó bằng công nghệ geopolymer dựa trên tro bay. Nghiên cứu thực nghiệm phân tích các đặc trưng của nguyên liệu đầu vào ( như đất sét, tro bay); tiến hành tổng hợp các geopolymer từ các cấp phối khác nhau của nguyên liệu đầu vào nêu trên. Trên cơ sở phân tích thành phần, cấu trúc, đặc trưng cơ học của các sản phẩm geopolymer thu được sẽ phân tích đánh giá các điều kiện phù hợp (về cấp phối, điều kiện bảo dưỡng) để có thể tổng hợp được các geopolymer đáp ứng được tốt nhất các yêu cầu đặt ra.
Nghiên cứu thí nghiệm tại hiện trường để đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu geopolymer với các thành phần hợp lý theo kết quả thí nghiệm trong phòng, để làm rõ khả năng ứng dụng trong thực tế xây dựng của loại vật liệu geopolymer này. Nghiên cứu thông qua mô hình toán để tìm phương án gia cố nền bằng vật liệu geopolymer tổng hợp từ tro bay và đất sét, một cách hợp lý: khảo sát với các phương án sử dụng đệm geopolymer, cột geopolymer từ đó phân tích, đánh giá hiệu quả của các phương phương án gia cố nền này.