phần mở đầu. Khái niệm chung về gia cố đất [2] Một trong những nguyên tắc quan trọng trong xây dựng đường là tận dụng nguyên liệu địa phương. Gia cố đất tại chỗ để làm các lớp móng, nền đường sẽ giảm một khối lượng đất đá, sỏi lớn, giảm bề dày kết cấu đường và đặc biệt là giảm công vận chuyển nên giá thành xây dựng sẽ giảm đi, đặc biệt là những vùng khan hiếm đá. Đất có thể gia cố bằng các chất liên kết vô cơ (xi măng, vôi…), các chất liên kết hữu cơ (nhựa đường, các hợp chất cao phân tử…), gia cố bằng phụ gia đặc biệt của các nước Đức, Mỹ.
Chất lượng của các loại đất sau gia cố có thể sánh với các lớp đá dăm, cấp phối đá dăm. Đối với các vùng có khí hậu ẩm ướt, chế độ ẩm của đất bất lợi thì việc gia cố đất bằng các chất liên kết vô cơ hay hữu cơ để làm các lớp nền trên cùng còn có tác dụng rất quan trọng là ngăn chặn nước ngầm thấm lên làm yếu các lớp trên của kết cấu mặt đường, tránh các tình trạng bùn đất trồi lên các kẽ đá gây nên hiện tượng cao su cho mặt đường. Trong những năm gần đây, các nước trên thế giới (Mỹ, Anh, Hàn Quốc, Trung Quốc.) đã sử dụng rộng rãi phương pháp gia cố đất bằng các chất liên kết vô cơ, hữu cơ trong xây dựng đường ô tô, sân bay và đã đem lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao. Ở nước ta, điều kiện khí hậu, điều kiện đất đai, vật liệu tại chỗ rất phù hợp với phương pháp sử dụng vật liệu gia cố.
Do vậy kỹ thuật sử dụng đất gia cố nên được áp dụng trong xây dựng đường ô tô. Gia cố đất có nghĩa là tiến hành một loạt các khâu công nghệ liên tiếp nhằm tạo ra các phản ứng hóa học làm cho đất hóa rắn có cường độ cao và ổn định lâu dài không những trong trạng thái khô mà khi cả trạng thái bão hòa nước nhờ tác dụng của các chất liên kết hoặc các chất khác. Kỹ thuật gia cố đất trên thế giới hiện nay đang chú trọng các vấn đề sau: - Tìm cách nâng cao lực dính bám của các chất liên kết tại vùng tiếp xúc với các loại đất, với các liên kết - thể lớn và vị - thể của các loại đất. 6 - Tìm cách thay đổi tính chất vật lý của đất làm cải thiện hơn nữa các tính chất cơ cấu của đất gia cố: như nâng cao độ ổn định nước, nâng cao hoặc giảm bớt khả năng biến dạng tùy theo loại cấu trúc, nâng cao cường độ, nâng cao tính chịu bào mòn.
- Nghiên cứu tìm ra các tác dụng có hiệu quả lớn của các chất phụ gia: phụ gia hoặc tính bề mặt mới và những hóa chất hoạt tính khác, dùng trong việc gia cố các loại đất sét, đất á sét, đất cát. thuộc nguồn gốc khác nhau và có các thành phần hóa – khoáng khác nhau. - Nghiên cứu và tìm cách sử dụng có hiệu quả nhất phương pháp gia cố đất tổng hợp đất (tổng hợp các chất gia cố).4 Các phƣơng pháp gia cố đất trong xây dựng đƣờng ô tô [2] Đất, đặc biệt là đất dính, là một hệ thống đa - khoáng rất phức tạp, rất phân tán. Bản chất hoá keo của các hạt mịn phân tán của đất có nhiều vẻ khác nhau.
Trong đất, các hạt sét - keo có một vai trò rất quan trọng trong việc nâng cao cường độ và tính ổn định. Các hạt sét - keo này có tác dụng liên kết các cốt liệu lớn trong đất lại với nhau, mặt khác nó lại là thành phần thường bị thay đổi tính chất khi đất bị ẩm ướt hoặc quá khô hanh, nên nó lại là tác nhân làm giảm cường độ của đất xuống nhiều. Dùng các chất liên kết, các chất phụ gia hoặc các phương pháp hoá lý khác để gia cố đất mục đích là để thay đổi một cách cơ bản tính chất cơ học và cấu tạo của đất, mà trước hết là tác động lên thành phần hạt sét - keo, làm cho các tính chất cơ lý của nó tốt hơn, ổn định, ít thay đổi hơn khi ẩm ướt. Riêng đối với loại đất không dính như cát thì nhiệm vụ chủ yếu của việc gia cố là làm tăng lực dính kết, đặc biệt khi khô hanh.
Đặc tính quan trong nhất của đất dính cũng như bất kỳ hệ thống phân tán nào là có tỷ diện rất lớn, do đó có năng lượng bề mặt lớn. Tuỳ thuộc vào trị số của tỷ diện và năng lượng bề mặt này mà đất có khả năng hấp phụ mạnh hay yếu. Các tính chất và thành phần của đất cũng như của chất gia cố là các yếu 7 tố có tác dụng quyết định, ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả gia cố đất. Còn các tác dụng cơ học, lý học thực hiện trong quá trình công nghệ thi công khi gia cố đất là những yếu tố động, có tác dụng tạm thời.
Nó có thể đẩy mạnh các quá trình cấu trúc hoá trong đất gia cố nếu tuân thủ đúng các qui định hoặc làm yếu, làm chậm nếu không tuân thủ theo các điều kiện đó. Các quá trình xảy ra trong khi gia cố đất rất khác nhau, tuỳ thuộc vào tính chất của đất, của chất gia cố và chất phụ gia. Các quá trình ấy có thể là: Quá trình hóa học: như sự hiđrát hoá của các hạt xi măng, sự hoá cứng của các sản phẩm của sự hiđrát hoá, sự hoá cứng của các chất mới được tạo ra do tương tác hoá học với phần hạt mịn phân tán của đất; sự trùng hợp của các chất tổng hợp; tương tác hoá học với các chất hoạt tính khác nhau. Quá trình hóa lý: như sự hấp thụ trao đổi các sản phẩm của sự thuỷ phân và hiđrát hoá xi măng bởi thành phần hạt mịn phân tán của đất hay của các chất hoạt tính cation hoặc hoạt tính anion.
Sự hấp thụ phân tử các chất từ trong các dung dịch trên bề mặt phân cách các pha, sự đông tụ không hồi phục của các chất sét và keo, sự vi - kết - tụ và sự xi măng hoá vững bền của chất ấy. Quá trình lý hóa và cơ học: như việc làm tơi nhỏ các kết thể đất và trộn lẫn với xi măng, nhựa, vôi hay các chất liên kết và phụ gia khác. Việc tạo nên độ ẩm tốt nhất và độ đầm lèn lớn nhất của hỗn hợp đất đã gia cố, việc bảo dưỡng lớp đất gia cố đã đầm nèn ở trong một điều kiện về độ ẩm, nhiệt độ,. thích hợp cho việc hoá cứng.
Các quá trình phức tạp và khác nhau trên liên quan rất chặt chẽ với nhau. Các quá trình này thường nối tiếp nhau, kết hợp nới nhau và tạo điều kiện cho nhau. Biết kết hợp các quá trình ấy một cách đúng đắn sẽ tạo điều kiện cho đất gia cố trở thành một vật liệu có tính toàn khối, có cường độ cao, ổn định với nước, với nhiệt. Có nhiều phương pháp để gia cố đất, tuỳ theo loại chất liên kết và nguyên tắc tác dụng của các chất đó với đất: 8 - Gia cố đất bằng các chất liên kết vơ cơ; - Gia cố đất bằng các chất liên kết hữu cơ; - Gia cố đất bằng các chất keo trùng hợp cao phân tử; - Gia cố đất bằng phương pháp tổng hợp; - Gia cố đất bằng phương pháp nhiệt; - Gia cố đất bằng phương pháp điện hoá; - Gia cố đất bằng các loại muối (để giữ cho thành phần sét – keo trong đất luôn có độ ẩm tốt nhất, hoặc để làm với các hạt keo thành hợp chất không hoà tan).5 Phƣơng pháp gia cố đất bằng chất liên kết vô cơ.
Đất gia cố xi măng [2] Dùng xi măng để gia cố đất làm đường là một biện pháp có hiệu quả lớn. Trong những năm gần đây phương pháp gia cố đất bằng xi măng pooclăng, xi măng pooclăng – xỉ hoặc xi măng có thêm chất phụ gia như clorua canxi, vôi và các hóa chất khác đã được sử dụng rộng rãi.000km đường có dùng lớp đất gia cố xi măng và đến năm 1976 đã lên đến 4. Ở Ba Lan có đến 5.000km đường ô tô có dùng chất gia cố xi măng (1968). Ở Mỹ từ năm 1935 đến 1968 có đến 720 triệu m2 đường dùng đất gia cố xi măng.
Ở các nước Anh, Pháp, Đức … cũng sử dụng phổ biến đất gia cố xi măng trong xây dựng đường. Ở Miền Bắc nước ta, trước đây vì xi măng nguồn xi măng khan hiếm và được sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực quan trọng và cấp thiết khác nên chưa được sử dụng rộng rãi trong việc gia cố đất để xây dựng đường. Ngày nay, nguồn xi măng trong nước rất dồi dào và đã xuất đi một số nước, do đó vấn đề sử dụng mặt và móng đường dùng chất liên kết là xi măng đang được nhiều nhà chuyên môn quan tâm. Dùng xi măng để gia cố đất sẽ làm thay đổi một cách cơ bản các tính chất ban đầu của đất.
Đất gia cố xi măng ít chịu ảnh hưởng của nước, có độ cứng lớn, cường độ chịu nén, môđun biến dạng (đàn hồi) đều tăng lên. Đất gia cố xi măng có thể sánh được với lớp đá dăm. Bản chất hình thành cường độ [2] Các quá trình phát sinh trong đất gia cố với xi măng rất phức tạp, bao gồm các quá trình lý học và cơ học cũng như cả hóa học và hóa lý. Khác với sự hóa rắn bình thường của bê tông, xi măng hay vữa xi măng, trong đó xi măng hóa rắn chủ yếu trong các sản phẩm của chính sự thủy phân; ở đây, quá trình hóa rắn diễn ra trong môi trường hoạt tính của vật liệu hạt mịn phân tán có các thành phần khoáng hóa khác nhau, chúng làm thay đổi quá trình hóa rắn bình thường của xi măng, làm ảnh hưởng đến cường độ và độ ổn định nước của hệ thống.
Trong giai đoạn đầu của quá trình ấy thì xi măng trộn trong đất được tiếp xúc với nước sẽ tạo thành hiđrô silicát canxi (CaO.nH2O hoặc Ca(OH)2) và các sản phẩm khác của sự thủy phân. Trong giai đoạn tiếp theo sẽ xảy ra sự tương tác của đất với các sản phẩm thủy hóa của xi măng (như hiđrô silicát canxi CaO.nH2O hoặc Ca(OH)2). Vì tỷ diện của xi măng và đất đều rất lớn nên quá trình tương tác hóa lý (trao đổi ion) và hóa học xảy ra rất mạnh, khả năng phản ứng trao đổi ion của đất tăng lên rất nhiều. Khả năng này càng rất rõ đối với những loại đất không chứa cácbonnát, không bão hòa bazơ.