Nghiên cứu cải tạo đất than bùn hóa tại Kiên Giang và Hậu Giang bằng xi măng kết hợp với phụ gia trong phõng thí nghiệm

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 21 NGHIÊN CỨU CẢI TẠO ĐẤT THAN BÙN HÓA TẠI KIÊN GIANG VÀ HẬU GIANG BẰNG XI MĂNG KẾT HỢP VỚI PHỤ GIA TRONG PHÕNG THÍ NGHIỆM VŨ NGỌC BÌNH*, NGUYỄN THÀNH CÔNG** Reseach improve peat soil at Kien Giang and Hau Giang by cement with additives in laboratory Abstracts: Peat soil is formed by chemical sediments lake – bog or aluvial - bog, we distributed quite widely in areas Mekong Delta provinces such as Dong Thap Muoi region, Kien Giang, Hau Giang, U Minh forest ... Experimental results improve soil distribution in the region Go Quao district Kien Giang province and Vi Thanh district Hau Giang province by cement showed soil samples reinforced with increased compressive strength then reduced along time curing. The addition of small amounts of additives have overcome this problem. The optimum concentration of additive was defined as 4 % of Lime , Gypsum is 2% and 1% is ROVO compared weight of cement . Keyword: Peat, Additives, curing time, unconfined (qu), Tensile strength (Rk) 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Đất than bùn hóa (TBH) phân bố tại khu vực Đồng Tháp Mười, Tứ Giác Long Xuyên, Kiên Giang, Hậu Giang, rừng U Minh được hình thành từ trầm tích Holocen thượng có nguồn gốc sông - đầm lầy (abQ2 3 2) [1]. Đây là loại đất yếu có hàm lượng hữu cơ cao vì vậy việc cải tạo đất bằng xi măng nhằm xử lý nền đất yếu phục vụ xây dựng các công trình là không hiệu quả. Kết quả nghiên cứu đất TBH ở khu vực huyện Gò Quao tỉnh Kiên Giang và một phần huyện Vị Thanh tỉnh Hậu Giang cho thấy đây là loại đất yếu, có tính phèn mạnh (pH<4.5), nhiễm muối dạng sunfat [3], [4]. Quá trình thí nghiệm và bảo dưỡng mẫu theo thời gian cho thấy ban đầu cường độ kháng nén của mẫu tăng tuy nhiên sau thời gian bảo Viện Thủy Công - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam * DĐ: 0973349666 Email: binhdkt@gmail.com, ** DĐ: 0914161775 Email: thanhcongvtc@gmail.com dưỡng cho thấy cường độ mẫu bị suy giảm [2], [3]. Chính vì vậy, việc nghiên cứu cải tạo loại đất than bùn hóa này nhằm tăng cường độ và ổn định theo thời gian có ý nghĩa rất quan trọng. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả trình bày giải pháp cải tạo đất TBH bằng xi măng kết hợp với phụ gia. 2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU NGHIÊN CỨU CẢI TẠO ĐẤT BẰNG XI MĂNG 2.1. Kết quả thí nghiệm thành phần hóa học của xi măng Để đánh giá ảnh hưởng của xi măng đến chất lượng đất gia cố, chúng tôi đã tiến thí nghiệm mẫu đất TBH với các loại xi măng thông dụng tại khu vực ĐBSCL Tây Đô PCB30 (TĐ30); Tây Đô PCB40 (TĐ40) và Kiên Lương PCB40 (KL40), Nghi Sơn PCB40 (NS40) và Hà Tiên PCB 40 (HT40). Trước khi tiến hành thí nghiệm, mẫu xi măng được phân tích thành phần hóa học, kết quả thí nghiệm trình bày trong bảng 1. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 22 Bảng 1: Thành phần hóa học của xi măng nghiên cứu Xi măng TP hóa học (%) Tây đô PCB30 Tây đô PCB40 Kiên Lƣơng PCB40 Hà Tiên PCB40 Nghi Sơn PCB40 SiO2 25,41 21,71 16,97 23,77 20,78 TiO2 0,66 0,46 0,26 0,52 0,30 Al2O3 6,20 5,27 4,70 5,83 4,94 Fe2O3 3,91 3,43 3,23 3,94 2,81 FeO 1,01 0,56 0,12 0,22 0,45 MnO 0,06 0,07 0,05 2,53 0,11 CaO 49,42 54,74 60,42 51,66 56,53 MgO 2,53 2,91 1,81 2,53 2,41 K2O 1,25 1,23 0,89 0,88 1,44 Na2O 1,24 0,79 0,26 1,04 0,57 P2O5 0,20 0,15 0,11 0,33 0,14 SO3 1,93 2,25 1,40 2,25 2,05 Cr2O3 0,010 0,01 0,006 0,016 0,007 Độ mịn 0,95 0,83 1,65 - 0,94 MKN (900 o C) 6,29 6,85 9,63 8,26 7,74 Từ kết quả nghiên cứu hàm lượng các ô xít có trong 3 loại xi măng nghiên cứu cho thấy: Các ôxít SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3 của xi măng TĐ30 và xi măng Hà Tiên (HT40) và TĐ40 đều cao hơn xi măng KL40 và NS40. Lượng ôxit CaO trong xi măng KL40 là lớn nhất (60,42%) trong khi đó xi măng TĐ30 là nhỏ nhất (49,42) và xi măng PCB40 đều trên 50%; tổng lượng ôxit kiềm (Na2O và K2O) của xi măng TĐ30 cũng lớn hơn xi măng TĐ40, HT40, KL40 và Nghi Sơn PCP40 (NS40). 2.2. Kết quả thí nghiệm đất với xi măng Mẫu đất trộn xi măng được bảo dưỡng và thí nghiệm tại các ngày tuổi là 7, 14, 28, 56, 91 và 180 ngày tuổi. Công tác thí nghiệm nén một trục không hạn chế nở hông được tiến hành theo tiêu chuẩn (ASTM D2166) [7], công tác chế bị mẫu theo TCVN 9403: 2012 [5], ngoài ra có tham khảo các tiêu chuẩn JGS 0821-2000 [8] của Nhật Bản và DBJ08-40-94 [6] của Trung Quốc. Kết quả thí nghiệm được trình bày trong bảng 2. Bảng 2: Kết quả thí nghiệm cƣờng độ kháng nén mẫu đất TBH với xi măng, hàm lƣợng và các ngày tuổi khác nhau STT Hàm lượng (kg/m 3 ) Cường độ kháng nén (qu, kPa) theo thời gian (ngày) 7 14 28 56 91 180 1 TĐ30 - 250 117,8 135,7 131,2 108,7 82,7 102,7 2 TĐ40 - 250 93,2 229,4 188,0 173,0 164,8 183,2 3 KL40 - 250 70,7 93,9 87,0 87,9 68,4 105,0 4 TĐ30 -300 122,6 164,7 184,1 104,1 127,4 126,4 5 TĐ40 - 300 154,9 267,4 236,2 152,5 148,3 101,6 6 KL40 - 300 174,3 208,3 202,9 138,6 116,7 107,6 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 23 STT Hàm lượng (kg/m 3 ) Cường độ kháng nén (qu, kPa) theo thời gian (ngày) 7 14 28 56 91 180 7 TĐ30 -350 123,4 175,0 191,7 122,6 145,9 150,3 8 TĐ40-350 186,8 227,5 244,5 206,3 201,0 130,9 9 KL40-350 183,3 207,9 214,2 117,1 119,8 129,7 10 TĐ30-400 124,5 179,8 200,1 190,0 158,8 145,7 11 TĐ40-400 204,6 236,0 271,3 254,7 169,9 162,1 12 KL40-400 224,8 233,8 240,0 227,5 210,6 163,0 13 NS40-400 150,7 221,2 225,4 256,8 236,2 215,0 Biểu đồ quna hệ giữua cường độ kháng nén theo thời gian bảo dưỡng của đất TBH với các hàm lượng và xi măng khác nhau được trình bày trong hình 1. Hình 1. Quan hệ giữa cường độ kháng nén theo thời gian của đất TBH với xi măng Từ kết quả thí nghiệm đất TBH với xi măng cho thấy: - Cường độ kháng nén của mẫu tăng theo hàm lượng xi măng tuy nhiên cường độ này là không lớn - Mẫu thí nghiệm với xi măng Kiên Lương PCB40 (KL40) cho kết quả lớn nhất (qu = 271,3 kPa). - Quá trình bảo dưỡng theo thời gian ban đầu cường độ mẫu tăng sau đó cường độ mẫu suy giảm theo thời gian. Nguyên nhân là do trong đất có hàm lượng hữu cơ cao, pH nhỏ, đất có tính phèn, môi trường phèn mạnh, đất có chứa hàm lượng Pyrit, Pyrophyllit và Thạch Cao (CaSO4) trong khi các đất khác ở ĐBSCL lẫn ít hữu cơ thì không có các thành phần trên [2]. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CẢI TẠO ĐẤT TBH BẰNG XI MĂNG VỚI PHỤ GIA 3.1. Thí nghiệm cƣờng độ kháng nén Để nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến cường độ của đất gia cố, chúng tôi đã nghiên cứu ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 24 chế bị mẫu đất than bùn hóa được ký hiệu là (HC) trộn với HLXM 350 kg/m3 và so sánh với mẫu đất trộn cũng với HLXM trên và các phụ gia theo các tỷ lệ khác nhau. Các phụ gia lựa chọn là: Tinh thể Thạch cao (CaSO4) với các tỷ lệ 1%, 2% và 3% ký hiệu là Ca1, Ca2 và Ca3 [6]; Roadcem 1%, 1.5% và 2%, ký hiệu là R1, R1.5 và R2 [9]; Vôi 1%; 2%; 3%; 4% và 6%, ký hiệu là V1, V2, V3, V4 và V6 [10], [11]. Xi măng được lựa chọn là xi măng Hà Tiên PCB40 là loại xi măng khá phổ biến trên thị trường các tỉnh ĐBSCL, kết quả thí nghiệm thành phần hóa học của xi măng trình bày trong bảng 1. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ kháng nén một trục không hạn chế nở hông (qu) của các mẫu đất gia cố ở các ngày tuổi khác nhau được trình bày tại bảng 3. Bảng 3. Kết quả thí nghiệm cƣờng độ kháng nén một trục của đất gia cố với hàm lƣợng 350 kg/m3 và các phụ gia khác nhau: STT Hàm lượng (kg/m 3 ) Cường độ kháng nén (qu, kPa) theo thời gian (ngày) 7 14 28 56 91 180 1 HC350 64,7 66,0 69,5 64,9 51,8 49,0 2 HC350V1 111,9 128,2 134,3 143,2 148,1 153,4 3 HC350V2 117,0 124,0 155,5 155,9 174,6 210,8 4 HC350V4 134,9 139,8 148,6 186,3 200,1 218,7 5 HC350V6 44,3 64,3 80,5 96,1 103,0 113,8 6 HC350Ca1 70,2 114,9 116,7 119,6 133,6 140,7 7 HC350Ca2 103,0 117,6 119,3 136,7 224,7 254,1 8 HC350Ca3 144,7 146,1 150,0 151,8 162,4 212,0 9 HC350R1 185,6 241,6 254,5 275,8 295,2 317,6 10 HC350R1.5 97,8 113,5 127,5 133,4 162,8 184,4 11 HC350R2 74,7 80,1 93,3 126,0 143,2 157,9 Quan hệ giữa cường độ kháng nén một trục qu (kPa) với HLXM 350 kg/m 3, với các phụ gia là Thạch Cao (CaSO4), Roadcemt và Vôi với tỷ lệ khác nhau (hình 2). Hình 2: Quan hệ giữa CĐKN của đất TBH với HLXM 350kg/m3 và phụ gia theo thời gian ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 25 3.1. Thí nghiệm cƣờng độ kháng kéo Mẫu thí nghiệm xác định cường độ kháng kéo của xi măng kết hợp với phụ gia được tiến hành chế bị và bảo dưỡng đồng thời với mẫu thí cường độ kháng nén, tiêu chuẩn thí nghiệm áp dụng là TCVN 8862: 2011. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ kháng kéo được trình bày trong bảng 4. Bảng 4: Kết quả thí nghiệm cƣờng độ kháng kéo của đất TBH gia cố với hàm lƣợng 350 kg/m3 với các phụ gia STT Hàm lượng (kg/m 3 ) Cường độ kháng kéo (Rk, kPa) theo thời gian (ngày) 7 14 28 56 91 180 1 HC350 21,4 18,1 20,9 13,0 12,2 9,8 2 HC350V1 26,1 27,3 36,5 38,1 37,4 37,4 3 HC350V2 23,8 30,1 33,5 41,3 39,6 40,2 4 HC350V4 27,4 32,3 33,6 41,8 45,9 51,8 5 HC350V6 6,2 6,8 10,3 12,7 14,4 11,4 6 HC350Ca1 27,5 40,4 43,5 50,2 53,1 53,7 7 HC350Ca2 30,5 49,2 59,8 61,1 63,0 70,2 8 HC350Ca3 24,2 28,2 43,1 52,7 53,5 57,3 9 HC350R1 44,1 45,8 48,2 50,3 54,3 68,6 10 HC350R1.5 29,8 31,4 32,6 32,5 34,2 38,6 11 HC350R2 15,7 19,1 17,9 22,1 28,0 30,1 Quan hệ giữa cường độ kháng kéo Rk (kPa) của đất gia cố với HLXM 350 kg/m3, và các phụ gia là Thạch cao (CaSO4), Roadcemt và Vôi với tỷ lệ khác nhau (hình 3). Hình 3. Quan hệ giữa cường độ kháng kéo của đất TBH với HLXM 350 kg/m3 và phụ gia theo thời gian Nhận xét: Từ kết quả thí nghiệm cường độ kháng nén và cường độ kháng kéo của các mẫu đất gia cố cho thấy: - Cường độ kháng nén và cường độ kháng kéo của mẫu có phụ gia tăng theo thời gian điều này có thể phụ gia đã làm thay đổi môi trường ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2016 26 hóa lý của đất gia cố dẫn đến phản ứng của xi măng có tính tích cực hơn. - Cường độ kháng nén và kháng kéo với lượng phụ gia tối ưu là: Vôi 4%, Thạch cao (CaSO4) 2% và Rovo 1% so với HLXM trong đó với 1% Rovo cho giá trị lớn nhất. - Các mẫu đất thí nghiệm với phụ gia, sau thời gian bảo dưỡng là 28 ngày đều có cường độ kháng nén lớn hơn so với mẫu đất không có phụ gia. Tuy cường độ kháng nén của mẫu là không cao (chỉ đạt khoảng 300 kPa) nhưng hiệu quả so với đất không có phụ gia là khá lớn gấp 4,5 đến 6,5 lần. - Cường độ kháng kéo thì Ca 2% là cao nhất tiếp đến là Rovo 1% và vôi 4%. 4. KẾT LUẬN 1. Cường độ của đất TBH gia cố bằng xi măng bị suy giảm theo thời gian bảo dưỡng 2. Phụ gia có vai trò quan trọng trong việc cải tạo môi trường hóa lý giúp đất xi măng ổn định theo thời gian bảo dưỡng 3. Nghiên cứu cải tạo đất TBH với xi măng và phụ gia cho thấy lượng phụ gia tối ưu để đạt cường độ kháng nén lớn nhất với các phụ gia Vôi 4%, Thạch cao 2%; Rovo là 1,5%. Với các phụ gia này, cường độ mẫu tăng đáng kể so với mẫu dất xi măng không có phụ gia. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bản đồ địa chất và khoáng sản Việt Nam tỷ lệ 1/200.000 tờ An Biên – Sóc Trăng, Cà Mau – Bạc Liêu, Long Xuyên [2]. Vũ Ngọc Bình, Nguyễn Quốc Dũng, Vũ Ngọc Hải, Đỗ Minh Toàn, Nghiên cứu trong phòng cải tạo đất loại sét yếu tại đồng bằng sông Cửu Long bằng xi măng địa phương, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy lợi (ISSN 1859-4255) số 25 (2-2015), Tr 26-35. [3]. Vũ Ngọc Bình, Đỗ Minh Toàn, Nghiên cứu cường độ kháng nén một trục không hạn chế nở hông của đất yếu gia cố bằng xi măng với mẫu chế bị và mẫu khoan lõi cọc tại Kiên Giang và Hậu Giang, Tuyển tập các báo cáo khoa Địa chất tại Hội nghị khoa học lần thứ 21 trường Đại học Mỏ địa chất, tháng 11 năm 2014, Tr 262-269. [4]. Nguyễn Quốc Dũng, Vũ Ngọc Bình, Nguyễn Văn Hòa, Đỗ Minh Toàn, Đỗ Minh Toàn, Kết quả nghiên cứu đặc tính ĐCCT của đất bùn sét pha phân bố ở Kiên Giang thuộc dự án Ô Môn – Xà No, đánh giá khả năng cải tạo chúng bằng xi măng kết hợp với vôi nhằm tăng cường độ đất gia cố. Tạp chí KH&CN Thủy lợi (ISSN 1859-4255) số 18 (10-2013), Tr54-60. [5]. TCVN 9403-2012. Gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng. Hà Nội, 2012. [6]. DBJ08-40-94 - Quy phạm kỹ thuật xử lý nền móng (bản dịch). Tiêu chuẩn TP Thượng Hải, năm 1994 [7]. ASTM D2166: Standard Test Method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soil [8]. JGS 0821-2000 - Japanese Geotechnical Society Standard “Practice for Making and Curing Stabilized Soil Specimens Without Compaction” [9]. Roadcem Laboratory Guide, Power Cem Technologies, Standards for Performing Dynamic Four-Point Flexural Tests to Determine the Fatigue Characteristics of Asphalt Concrete'. W-DWW-94530. [10]. N. Z. Mohd Yunus, D. Wanatowski, and L. R. Stace. Effect of Humic Acid on Physical and Engineering Properties of Lime- Treated Organic Clay. World Academy of Science, Engineering and Technology 59 2011. [11]. Rajani S.Chandran, Padmakumar G. P. College of Engineering Thiruvananthapuram, Kerala. Stabilization of Clayey Soil Using Lime Solution, 10th National Conference on Technological Trends (NCTT09) 6-7 Nov 2009. Người phản biện: PGS.TS. ĐẶNG HỮU DIỆP