Tổng quan nghiên cứu

Huyện Đông Hòa, tỉnh Phú Yên, là một vùng đồng bằng ven biển có diện tích tự nhiên khoảng 269,59 km² với dân số hơn 115.000 người, mật độ dân số đạt 428 người/km². Vị trí địa lý đặc biệt với gần 50 km bờ biển, tiếp giáp các tuyến quốc lộ quan trọng như quốc lộ 1A và quốc lộ 29, cùng các dự án hạ tầng lớn như Hầm đường bộ Đèo Cả, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển kinh tế - xã hội. Tuy nhiên, hệ thống giao thông nông thôn (GTNT) tại đây còn nhiều hạn chế, với tỷ lệ đường đất và cấp phối chiếm hơn 70%, gây khó khăn cho việc đi lại và vận chuyển hàng hóa, đặc biệt trong mùa mưa.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát và đánh giá khả năng sử dụng đất gia cố xi măng làm vật liệu xây dựng đường giao thông nông thôn tại huyện Đông Hòa nhằm nâng cao chất lượng mặt đường, đồng thời tận dụng nguồn vật liệu tại chỗ để giảm chi phí đầu tư. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đất cấp III tại địa phương, với các tỷ lệ xi măng gia cố từ 4% đến 12%, thực hiện trong phòng thí nghiệm và đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 1.700 mm, nhiệt độ trung bình 26,5°C.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển mạng lưới giao thông nông thôn đồng bộ, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội, nâng cao đời sống người dân và tạo bộ mặt nông thôn mới hiện đại tại huyện Đông Hòa. Việc ứng dụng đất gia cố xi măng không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ lý của đất mà còn giảm thiểu chi phí vận chuyển vật liệu, phù hợp với nguồn lực đầu tư còn hạn chế của địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về gia cố đất trong xây dựng đường giao thông, tập trung vào:

  • Lý thuyết đất gia cố xi măng: Quá trình thủy hóa xi măng tạo ra các sản phẩm hydrat hóa như hydro silicat canxi và hydroxit canxi, hình thành mạng tinh thể kết tinh bao bọc các hạt đất, làm tăng cường độ và độ ổn định của đất gia cố. Cường độ đất gia cố phụ thuộc vào hàm lượng xi măng, loại xi măng, thành phần hạt đất, hàm lượng hữu cơ và điều kiện bảo dưỡng.

  • Mô hình phản ứng hóa học thủy hóa xi măng: Các phản ứng chính gồm thủy hóa các khoáng vật trong clinker xi măng (C3S, C2S, C3A, C4AF) tạo ra các sản phẩm kết tinh như ettringite, hydroferit, góp phần làm tăng cường độ đất gia cố.

  • Khái niệm kỹ thuật về đất và vật liệu xây dựng đường: Bao gồm các chỉ tiêu cơ lý như mô đun đàn hồi, cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ, độ ẩm tối ưu, khối lượng thể tích khô lớn nhất, chỉ số dẻo, giới hạn chảy, chỉ số CBR (California Bearing Ratio) dùng để đánh giá chất lượng vật liệu làm nền và móng đường.

  • Các phương pháp gia cố đất: Gia cố bằng chất liên kết vô cơ (xi măng, vôi), hữu cơ (nhựa đường), keo trùng hợp cao phân tử, phương pháp nhiệt, điện hóa, cơ học và vi sinh học. Trong đó, gia cố bằng xi măng được lựa chọn do tính hiệu quả kinh tế và kỹ thuật phù hợp với điều kiện địa phương.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập mẫu đất cấp III tại mỏ đất Hòa Tâm, huyện Đông Hòa, Phú Yên. Sử dụng xi măng Holcim PCB40 làm chất liên kết.

  • Phương pháp phân tích: Thực hiện các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm gồm xác định thành phần hạt, độ ẩm tối ưu và khối lượng thể tích khô lớn nhất theo tiêu chuẩn 22TCN 333-06, thí nghiệm CBR theo tiêu chuẩn 22TCN 332-06, xác định giới hạn dẻo và giới hạn chảy theo TCVN 4197:2012, thí nghiệm cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ và mô đun đàn hồi của đất gia cố xi măng ở các thời điểm 7, 14 và 28 ngày bảo dưỡng.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lấy mẫu đất đại diện tại mỏ đất Hòa Tâm với khối lượng đủ cho các thí nghiệm cơ lý. Các tỷ lệ xi măng gia cố được thử nghiệm gồm 4%, 6%, 8%, 10% và 12% theo khối lượng đất.

  • Timeline nghiên cứu: Tiến hành thí nghiệm trong vòng 3 tháng, bảo dưỡng mẫu ở các thời điểm 7, 14 và 28 ngày để đánh giá sự phát triển cường độ và tính chất cơ lý của đất gia cố.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng phương pháp thống kê mô tả, biểu diễn dữ liệu bằng đồ thị quan hệ độ ẩm - khối lượng thể tích khô, cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ và mô đun đàn hồi theo thời gian bảo dưỡng và hàm lượng xi măng. Thiết lập mối tương quan giữa các chỉ tiêu kỹ thuật để lựa chọn tỷ lệ gia cố tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng cường độ chịu nén theo hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng: Cường độ chịu nén của đất gia cố xi măng tăng rõ rệt khi hàm lượng xi măng tăng từ 4% đến 12%. Ở 28 ngày bảo dưỡng, cường độ chịu nén đạt khoảng 1,5 đến 3,2 MPa, tăng trung bình 120% so với đất tự nhiên. Đặc biệt, tỷ lệ 8% xi măng cho hiệu quả tối ưu với cường độ đạt 2,8 MPa.

  2. Cường độ ép chẻ và mô đun đàn hồi cải thiện theo thời gian: Cường độ ép chẻ tăng từ 0,8 MPa ở 7 ngày lên 2,1 MPa ở 28 ngày với tỷ lệ xi măng 8%. Mô đun đàn hồi cũng tăng từ 150 MPa lên 320 MPa trong cùng điều kiện, cho thấy đất gia cố có khả năng chịu biến dạng tốt hơn.

  3. Chỉ số CBR tăng đáng kể: Giá trị CBR của đất gia cố xi măng đạt từ 15% đến 45% tùy theo tỷ lệ xi măng, vượt mức yêu cầu kỹ thuật cho lớp móng đường giao thông nông thôn. Tỷ lệ 8% xi măng đạt CBR khoảng 40%, phù hợp làm lớp móng dưới.

  4. Tỷ lệ hàm lượng xi măng trên 10% không làm tăng cường độ đáng kể: Khi hàm lượng xi măng vượt quá 10%, cường độ đất gia cố không tăng nhiều mà có xu hướng giảm nhẹ do hiện tượng quá thừa xi măng gây giòn và giảm tính liên kết.

Thảo luận kết quả

Kết quả thí nghiệm cho thấy việc sử dụng đất gia cố xi măng tại huyện Đông Hòa có thể cải thiện đáng kể các chỉ tiêu cơ lý của đất cấp III, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật làm móng và mặt đường giao thông nông thôn. Sự tăng cường độ chịu nén và cường độ ép chẻ theo thời gian bảo dưỡng phù hợp với cơ chế thủy hóa xi măng và sự hình thành mạng tinh thể kết tinh bao bọc hạt đất.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, tỷ lệ xi măng 6-8% được đánh giá là tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí đầu tư. Việc sử dụng đất gia cố xi măng giúp tận dụng nguồn vật liệu tại chỗ, giảm thiểu vận chuyển đá dăm, tiết kiệm chi phí xây dựng từ 15-20% so với phương án truyền thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng xi măng và các chỉ tiêu cường độ, cũng như bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý theo từng thời điểm bảo dưỡng. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự cải thiện tính chất đất và hỗ trợ lựa chọn tỷ lệ gia cố phù hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ xi măng 6-8% trong gia cố đất làm móng và mặt đường giao thông nông thôn: Giải pháp này giúp đạt cường độ và độ bền phù hợp, đồng thời tiết kiệm chi phí vật liệu và vận chuyển. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 1 năm cho các dự án nâng cấp đường GTNT tại huyện Đông Hòa.

  2. Tăng cường công tác đào tạo và chuyển giao công nghệ thi công đất gia cố xi măng cho các nhà thầu địa phương: Đảm bảo kỹ thuật trộn, đầm nén và bảo dưỡng đúng quy trình để đạt hiệu quả cao nhất. Chủ thể thực hiện là Sở Giao thông Vận tải phối hợp với các đơn vị đào tạo nghề xây dựng.

  3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình thi công cụ thể cho việc sử dụng đất gia cố xi măng tại địa phương: Bao gồm hướng dẫn lựa chọn vật liệu, tỷ lệ gia cố, kiểm soát chất lượng và bảo dưỡng. Thời gian hoàn thiện trong 6 tháng, do Ban Quản lý dự án và Sở Khoa học Công nghệ chủ trì.

  4. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như độ ẩm, nhiệt độ và hàm lượng hữu cơ trong đất đến hiệu quả gia cố: Giúp điều chỉnh công nghệ phù hợp với điều kiện thực tế, nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học trong khu vực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách giao thông địa phương: Nhận diện giải pháp phát triển GTNT hiệu quả, tiết kiệm chi phí, phù hợp với điều kiện địa phương để lập kế hoạch đầu tư.

  2. Các kỹ sư, nhà thầu xây dựng và tư vấn thiết kế công trình giao thông: Áp dụng kiến thức về đất gia cố xi măng trong thiết kế và thi công, nâng cao chất lượng công trình, giảm chi phí vật liệu.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng cầu đường, kỹ thuật giao thông: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả thí nghiệm và cơ sở lý thuyết về gia cố đất xi măng, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  4. Các cơ quan quản lý vật liệu xây dựng và kiểm định chất lượng công trình: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn, quy trình kiểm tra chất lượng vật liệu gia cố đất xi măng tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn xi măng làm chất gia cố đất thay vì các vật liệu khác?
    Xi măng có khả năng tạo ra các sản phẩm hydrat hóa kết tinh, tăng cường độ và độ ổn định của đất nhanh chóng. So với vôi hay nhựa đường, xi măng cho hiệu quả bền vững và phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm của Đông Hòa.

  2. Hàm lượng xi măng gia cố tối ưu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy hàm lượng 6-8% là tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí. Hàm lượng quá cao có thể gây giòn và giảm tính liên kết của đất gia cố.

  3. Quá trình bảo dưỡng mẫu đất gia cố có ảnh hưởng thế nào đến kết quả?
    Bảo dưỡng đủ thời gian (28 ngày) giúp phản ứng thủy hóa xi măng hoàn thiện, tăng cường độ đất gia cố. Bảo dưỡng không đúng quy trình có thể làm giảm hiệu quả gia cố.

  4. Đất tại chỗ có thể sử dụng cho gia cố xi măng không?
    Đất cấp III tại Đông Hòa có thành phần hạt và tính chất phù hợp để gia cố xi măng, giúp tận dụng nguồn vật liệu sẵn có, giảm chi phí vận chuyển và đầu tư.

  5. Giải pháp này có áp dụng được cho các vùng khác không?
    Có thể áp dụng cho các vùng có điều kiện đất và khí hậu tương tự, tuy nhiên cần khảo sát đặc điểm đất cụ thể để điều chỉnh tỷ lệ xi măng và quy trình thi công phù hợp.

Kết luận

  • Đất gia cố xi măng tại huyện Đông Hòa cải thiện đáng kể các chỉ tiêu cơ lý như cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ, mô đun đàn hồi và chỉ số CBR, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật xây dựng đường giao thông nông thôn.
  • Tỷ lệ xi măng 6-8% được xác định là tối ưu, vừa đảm bảo hiệu quả kỹ thuật vừa tiết kiệm chi phí đầu tư.
  • Việc sử dụng đất gia cố xi măng tận dụng nguồn vật liệu tại chỗ, giảm thiểu vận chuyển đá dăm, góp phần nâng cao chất lượng và tuổi thọ công trình.
  • Cần xây dựng quy trình thi công, tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo nhân lực để đảm bảo hiệu quả ứng dụng thực tế.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và thành phần đất để hoàn thiện công nghệ gia cố phù hợp hơn.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và nhà thầu nên phối hợp triển khai thí điểm ứng dụng đất gia cố xi măng tại các tuyến đường nông thôn trọng điểm của huyện Đông Hòa, đồng thời hoàn thiện quy trình kỹ thuật và đào tạo nhân lực.