Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang đối mặt với thách thức lớn về ô nhiễm môi trường do lượng lớn lốp ô tô cũ phế thải, với đặc tính khó phân hủy trong tự nhiên, kéo dài hàng chục năm. Trung bình mỗi năm, chỉ riêng tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng đã thải ra khoảng 228 tấn lốp ô tô cũ, chưa kể các loại cao su phế thải khác. Đồng thời, đất nạo vét tại các vùng như Đồng Tháp có đặc tính cơ lý yếu, sức chống cắt thấp, không phù hợp cho các công trình xây dựng truyền thống. Nghiên cứu này nhằm đánh giá sức chống cắt của đất trộn xi măng kết hợp vụn cao su (RLS) tại Đồng Tháp, với mục tiêu tạo ra vật liệu đắp nền nhẹ, có sức chống cắt và độ đàn hồi cải thiện, phù hợp cho các công trình giao thông và xây dựng trên nền đất yếu.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đất sét nhão nạo vét tại huyện Hồng Ngự, tỉnh Đồng Tháp, khảo sát các hỗn hợp đất trộn với xi măng Holcim ở hàm lượng 10%, 12%, 15% và vụn cao su từ 0% đến 100% theo khối lượng đất tự nhiên. Thời gian bảo dưỡng mẫu thí nghiệm là 7 và 28 ngày. Ý nghĩa nghiên cứu không chỉ góp phần tận dụng phế liệu cao su, giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn cung cấp giải pháp vật liệu nhẹ, bền vững cho nền móng công trình, giảm áp lực lên đất nền yếu và nâng cao hiệu quả kinh tế trong xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý đất trộn xi măng, trong đó xi măng Portland thủy hóa tạo thành các hợp chất như Hydrated Calcium Silicate (C-S-H) và Hydrated Calcium Aluminate, đóng vai trò kết dính các hạt đất, tăng cường sức chịu nén và sức chống cắt. Phản ứng thủy hóa xi măng làm tăng độ pH trong môi trường đất, thúc đẩy phản ứng pozzolanic giữa các khoáng vật sét và ion calcium, tạo thành các hợp chất không hòa tan, nâng cao độ bền cơ học của hỗn hợp.

Mô hình Rubber Added Lightweight Soil (RLS) được áp dụng, trong đó vụn cao su từ lốp xe phế thải được trộn vào đất xi măng nhằm giảm trọng lượng riêng của vật liệu đồng thời cải thiện tính đàn hồi và sức chống cắt. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Sức chống cắt (qu): Lực kháng cắt tối đa của đất, xác định qua thí nghiệm cắt trực tiếp.
  • Lực dính (c) và góc nội ma sát (φ): Thông số cơ bản mô tả khả năng liên kết và ma sát trong đất.
  • Module đàn hồi (Esp): Đặc trưng độ cứng và khả năng biến dạng đàn hồi của vật liệu.
  • Chỉ số nén (Cc) và chỉ số nở (Cs): Thể hiện khả năng nén lún và giãn nở của đất dưới tải trọng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu đất sét nhão nạo vét tại huyện Hồng Ngự, Đồng Tháp, được trộn với xi măng Holcim và vụn cao su với các tỷ lệ khác nhau. Mẫu được chế tạo theo hai kích thước: đường kính 5 cm, chiều cao 10 cm cho thí nghiệm nén đơn; đường kính 6.2 cm, chiều cao 2 cm cho thí nghiệm cắt trực tiếp và nén cô kết.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thí nghiệm nén đơn có nở hông (ASTM D2166): Xác định cường độ chịu nén đơn (qu) và quan hệ ứng suất - biến dạng.
  • Thí nghiệm cắt trực tiếp (TCVN 4199-1995): Đo lực dính (c) và góc nội ma sát (φ) của mẫu RLS.
  • Thí nghiệm nén cô kết (TCVN 4200-1995): Xác định chỉ số nén (Cc), chỉ số nở (Cs) và module đàn hồi (Esp).

Quy trình tạo mẫu gồm cân đo chính xác các thành phần đất, xi măng, cao su và nước, trộn đều bằng máy trộn trong khoảng 3-4 phút, đúc mẫu và bảo dưỡng trong điều kiện nhiệt độ 33-37°C trong 7 và 28 ngày. Cỡ mẫu và số lượng mẫu được thiết kế đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả, với tổng số khoảng 100 mẫu cho các thí nghiệm khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng hàm lượng cao su đến sức chống cắt và trọng lượng riêng:
    Kết quả thí nghiệm cho thấy sức chống cắt (qu) giảm dần khi hàm lượng vụn cao su tăng từ 0% đến 100%. Cụ thể, qu giảm từ khoảng 440 kPa (0% cao su) xuống còn khoảng 180 kPa (100% cao su) với xi măng 10%. Trọng lượng riêng cũng giảm tuyến tính từ 15,1 kN/m³ xuống 12,1 kN/m³ khi hàm lượng cao su tăng, giúp giảm tải trọng cho nền đất yếu.

  2. Ảnh hưởng hàm lượng xi măng đến cường độ:
    Tăng hàm lượng xi măng từ 10% lên 15% làm tăng đáng kể sức chống cắt và lực dính của mẫu RLS. Ví dụ, với 50% cao su, lực dính tăng từ khoảng 4 kPa lên 8 kPa khi xi măng tăng từ 10% lên 15%. Góc nội ma sát cũng tăng nhẹ theo hàm lượng xi măng.

  3. Biến dạng và module đàn hồi:
    Mẫu RLS có hàm lượng cao su cao thể hiện biến dạng đỉnh lớn hơn, cho thấy tính đàn hồi và khả năng chịu biến dạng tốt hơn. Module đàn hồi Esp giảm khi hàm lượng cao su tăng, phản ánh sự giảm độ cứng của vật liệu. Các giá trị này tăng theo thời gian bảo dưỡng, từ 7 đến 28 ngày, cho thấy sự phát triển liên kết xi măng trong hỗn hợp.

  4. Chỉ số nén và nở:
    Chỉ số nén (Cc) và chỉ số nở (Cs) của mẫu RLS giảm khi hàm lượng cao su tăng, cho thấy vật liệu có khả năng nén lún và giãn nở thấp hơn, phù hợp cho các công trình đắp đất nền cần ổn định lâu dài.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm sức chống cắt khi tăng hàm lượng cao su là do các hạt cao su có ma sát thấp hơn so với hạt đất, làm giảm liên kết cơ học trong hỗn hợp. Tuy nhiên, sự giảm này được bù đắp phần nào bởi tính đàn hồi và khả năng hấp thụ biến dạng của cao su, giúp vật liệu có khả năng chịu biến dạng lớn mà không bị phá hoại đột ngột.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với các báo cáo cho thấy việc trộn vụn lốp xe vào đất cát làm tăng góc ma sát và sức chống cắt, tuy nhiên với đất sét nhão như trong nghiên cứu này, sức chống cắt giảm nhẹ nhưng vẫn đảm bảo tính ổn định cần thiết cho ứng dụng đắp nền nhẹ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng cao su và sức chống cắt, trọng lượng riêng, cũng như biểu đồ ứng suất - biến dạng thể hiện sự khác biệt về module đàn hồi theo hàm lượng cao su và xi măng. Bảng tổng hợp lực dính và góc nội ma sát theo từng tỷ lệ trộn cũng giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các thành phần.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng RLS làm vật liệu đắp nền nhẹ cho công trình giao thông tại Đồng Tháp:
    Khuyến nghị sử dụng hỗn hợp đất trộn xi măng 12-15% kết hợp vụn cao su 25-50% để cân bằng giữa sức chống cắt và trọng lượng riêng, giảm áp lực lên nền đất yếu, đảm bảo an toàn công trình trong vòng 28 ngày bảo dưỡng.

  2. Tăng cường nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng nước trộn:
    Đề xuất thực hiện các thí nghiệm bổ sung để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nước đến cường độ và độ ổn định của RLS, nhằm tối ưu hóa công thức trộn phù hợp với điều kiện thi công thực tế.

  3. Phát triển quy trình sản xuất và bảo dưỡng mẫu trong điều kiện thực tế:
    Khuyến nghị xây dựng quy trình trộn, đúc và bảo dưỡng mẫu RLS trong điều kiện môi trường ngoài công trình để đánh giá tính ổn định lâu dài và khả năng ứng dụng thực tế.

  4. Khuyến khích sử dụng vụn cao su phế thải trong các dự án xây dựng:
    Đề xuất các cơ quan quản lý và nhà thầu xây dựng ưu tiên sử dụng vật liệu RLS nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường do cao su phế thải, đồng thời tiết kiệm chi phí vật liệu và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư địa kỹ thuật và thiết kế công trình:
    Hỗ trợ trong việc lựa chọn vật liệu đắp nền nhẹ, cải thiện sức chống cắt và độ ổn định nền đất yếu, đặc biệt trong các dự án giao thông và xây dựng tại vùng Đồng Tháp và các khu vực tương tự.

  2. Nhà quản lý dự án xây dựng và cơ quan quản lý môi trường:
    Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá và khuyến khích tái sử dụng phế liệu cao su, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả quản lý chất thải công nghiệp.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành địa kỹ thuật xây dựng:
    Là tài liệu tham khảo về phương pháp thí nghiệm, phân tích cơ lý đất trộn xi măng kết hợp vụn cao su, đồng thời mở rộng nghiên cứu về vật liệu xây dựng bền vững.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và tái chế cao su:
    Hướng dẫn phát triển sản phẩm vật liệu nhẹ, thân thiện môi trường, tận dụng nguồn nguyên liệu phế thải cao su, nâng cao giá trị kinh tế và thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vụn cao su ảnh hưởng như thế nào đến sức chống cắt của đất trộn xi măng?
    Vụn cao su làm giảm sức chống cắt do ma sát giữa các hạt giảm, nhưng đồng thời tăng tính đàn hồi và khả năng chịu biến dạng của vật liệu, giúp giảm nguy cơ phá hoại đột ngột.

  2. Hàm lượng xi măng tối ưu để đảm bảo sức chống cắt và trọng lượng nhẹ là bao nhiêu?
    Hàm lượng xi măng từ 12% đến 15% kết hợp với vụn cao su 25-50% được khuyến nghị để cân bằng giữa cường độ và trọng lượng riêng, phù hợp cho các công trình đắp nền nhẹ.

  3. Thời gian bảo dưỡng mẫu ảnh hưởng thế nào đến kết quả thí nghiệm?
    Thời gian bảo dưỡng từ 7 đến 28 ngày giúp tăng cường liên kết xi măng trong hỗn hợp, làm tăng sức chống cắt, lực dính và module đàn hồi, cải thiện tính ổn định của vật liệu.

  4. Có thể sử dụng RLS cho các loại đất khác ngoài đất sét nhão không?
    RLS có thể áp dụng cho nhiều loại đất yếu khác nhau, tuy nhiên cần khảo sát đặc tính cơ lý riêng biệt của từng loại đất để điều chỉnh tỷ lệ trộn phù hợp.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng khi thi công sử dụng RLS?
    Cần thực hiện kiểm tra định kỳ các chỉ tiêu cơ lý như sức chống cắt, trọng lượng riêng, độ biến dạng và module đàn hồi theo tiêu chuẩn, đồng thời giám sát quá trình trộn và bảo dưỡng mẫu tại công trường.

Kết luận

  • Đất trộn xi măng kết hợp vụn cao su (RLS) tại Đồng Tháp có sức chống cắt giảm nhẹ khi tăng hàm lượng cao su nhưng đồng thời giảm trọng lượng riêng, phù hợp làm vật liệu đắp nền nhẹ.
  • Hàm lượng xi măng từ 12% đến 15% giúp tăng cường sức chống cắt và lực dính, đảm bảo tính ổn định cho công trình.
  • Tính đàn hồi và khả năng chịu biến dạng của RLS được cải thiện rõ rệt khi tăng hàm lượng vụn cao su, giúp giảm nguy cơ phá hoại đột ngột.
  • Kết quả thí nghiệm ở 7 và 28 ngày bảo dưỡng cho thấy sự phát triển liên kết xi măng và cải thiện các chỉ tiêu cơ lý theo thời gian.
  • Nghiên cứu góp phần cung cấp giải pháp vật liệu xây dựng bền vững, tận dụng phế liệu cao su, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế trong xây dựng.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị triển khai thí điểm ứng dụng RLS trong các dự án đắp nền tại Đồng Tháp, đồng thời mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng của hàm lượng nước và điều kiện bảo dưỡng thực tế. Các nhà quản lý và kỹ sư xây dựng nên cân nhắc áp dụng vật liệu này để nâng cao hiệu quả và bền vững công trình.