Nghiên cứu gia cố đất bùn sét tại chỗ làm nền móng đường ở tỉnh cà mau

GIỚI THIỆU CHUNG

Tính cấp thiết của đề tài

Ngành giao thông vận tải đang được nhà nước đầu tư mạnh mẽ trong kế hoạch trung hạn 2021-2025, đặc biệt là các tuyến cao tốc và đường ven biển Khu vực phía Nam, đặc biệt là đồng bằng sông Cửu Long, dự kiến sẽ có khoảng 640Km đường cao tốc đến năm 2030 Trong giai đoạn này, sẽ có 2 tuyến cao tốc Bắc - Nam: Cần Thơ - Bạc Liêu dài 76Km và Bạc Liêu - Cà Mau dài 48Km Bên cạnh đó, 3 tuyến cao tốc từ Tây sang Đông cũng được đầu tư, bao gồm: Mỹ An - Cao Lãnh (26Km), An Hữu - Cao Lãnh (30Km) và Châu Đốc - Cần Thơ - Sóc Trăng (180Km).

Hình 1.1: Sơ đồ các tuyến Cao tốc khu vực phía Nam [2]

Với kế hoạch đầu tư lớn, nhu cầu vật liệu cho các công trình xây dựng đang tăng cao, dẫn đến sự quan tâm từ nhiều đối tượng như lãnh đạo, nhà đầu tư và nhà nghiên cứu Việc khai thác quá mức các vật liệu truyền thống như cát và đá đã gây ra tình trạng khan hiếm tài nguyên thiên nhiên, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và gây ra hiện tượng sụt lún, sạt lở ở các khu vực khai thác Những vấn đề này không chỉ tác động đến các công trình lân cận mà còn ảnh hưởng đến đời sống của người dân, như sạt lở đường giao thông và nhà cửa gần bờ sông Sự cạn kiệt nguồn vật liệu cũng làm tăng giá cả, dẫn đến chi phí xây dựng cao hơn và ảnh hưởng đến tiến độ thi công.

Với quỹ đất lớn ở đồng bằng sông Cửu Long, việc tận dụng đất bùn sét trong xây dựng kết cấu nền và mặt đường sẽ giúp giảm chi phí đầu tư Thay vì đào bỏ loại đất này để thay bằng cát hoặc chỉ sử dụng để đắp bờ bao, việc sử dụng nó sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.

Để sử dụng hiệu quả đất bùn sét trong xây dựng nền đường tại khu vực Đầm Thị Tường, tỉnh Cà Mau, cần thực hiện biện pháp gia cố đất nhằm đảm bảo cường độ và độ ổn định nước Mặc dù tiêu chuẩn TCVN 10379-2014 khuyến cáo không nên sử dụng đất bùn sét gia cố, việc nghiên cứu ứng dụng loại đất này vẫn cần thiết để đánh giá khả năng làm việc và giảm chi phí xây dựng Điều này cũng giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn vật liệu như cát và đá, vốn đang ngày càng khan hiếm.

Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Để đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật trong gia cố đất, việc lựa chọn chất kết dính phù hợp là rất quan trọng Học viên cần thiết kế cấp phối và thực hiện thí nghiệm để đánh giá cường độ và độ bền của hỗn hợp đất gia cố Nghiên cứu cũng nhằm tìm ra quy luật phát triển cường độ và độ bền theo thời gian của hỗn hợp sau khi gia cố, chủ yếu phục vụ cho việc xây dựng kết cấu móng cho lớp kết cấu áo đường mềm từ cấp thấp (B1, B2) đến cấp cao (A1, A2).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Học viên nghiên cứu về việc sử dụng chất kết dính vô cơ như vôi và xi măng để gia cố đất Phương pháp này bao gồm việc phối trộn và đánh giá đất sau gia cố thông qua các thí nghiệm trong phòng Các đặc trưng cơ lý được kiểm tra bao gồm xác định độ ẩm tối ưu, cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi ép chẻ và mô đun đàn hồi.

Kết quả nghiên cứu

Kết quả thí nghiệm cho thấy, đất được gia cố đã đạt tiêu chuẩn cơ lý cần thiết, đảm bảo tính ổn định và độ bền trong quá trình thi công lớp móng dưới nền đường.

Ý nghĩa đề tài

Nghiên cứu phương pháp trộn đất với chất kết dính đã mở ra một hướng đi mới trong thiết kế kết cấu móng nền đường Phương án này không chỉ mang lại giải pháp hiệu quả cho việc xây dựng nền đường tại Cà Mau mà còn có thể áp dụng rộng rãi cho các tỉnh thành khác trên toàn quốc, thúc đẩy nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực xây dựng.

Kết quả đánh giá cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho các bên liên quan như chủ đầu tư, Ban quản lý và tư vấn thiết kế, giúp họ tự tin áp dụng công nghệ thi công đơn giản Công nghệ này không chỉ rút ngắn thời gian thi công mà còn tận dụng hiệu quả nguồn vật liệu tại chỗ như đất bùn sét, từ đó giảm chi phí xây dựng và đảm bảo nguồn kinh phí hợp lý cho các dự án đầu tư vào hệ thống giao thông.

Nội dung nghiên cứu

Nội dung thực hiện Luận văn gồm 5 chương:

Chương 1- Giới thiệu chung: Giới thiệu các vấn đề liên quan về đề tài nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu

Chương 2- Tổng quan: Giới thiệu phương pháp gia cố đất, cơ chế hình thành cường độ, các nghiên cứu trong và ngoài nước

Chương 3- Thiết kế cấp phối đất gia cố: Trình bày các cơ sở lý thuyết phục vụ cho tính toán và thí nghiệm đánh giá chất lượng đất gia cố trong phòng trình bày các kết quả từ thực nghiệm

Chương 4- Đánh giá chất lượng vật liệu đất gia cố: Đánh giá chất lượng vật liệu đất gia cố bằng các thí nghiệm trong phòng về các chỉ tiêu cơ lý được trình bày Chương 5- Kết luận và kiến nghị: Các kết luận chính từ các thí nghiệm đánh giá chất lượng, một số kiến nghị và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

TỔNG QUAN

Giới thiệu phương pháp đất gia cố

Từ thế kỷ 17, đất sét trộn vôi đã được sử dụng để xây dựng pháo đài Ivangorotski ở Nga Đến năm 1912, đất á cát trộn xi măng bắt đầu được áp dụng trong xây dựng đường công viên Năm 1925, nghiên cứu về tính chất cơ lý của đất được thực hiện tại Viện nghiên cứu khoa học đường bộ ở Matxcova và Leningrad, mở ra hướng đi mới cho việc sử dụng đất trong xây dựng Vào những năm 70, đất gia cố bằng vôi và xi măng trở nên phổ biến trong xây dựng đường ô tô và sân bay ở nhiều quốc gia như Liên Xô, Đức, Ấn Độ và Mỹ, cho thấy kết cấu áo đường có thể duy trì hiệu quả từ 20 đến 30 năm Để nâng cao hiệu quả gia cố, các phụ gia như vôi bột, clorua-canxi, silicatnatri, thạch cao và các chất hoạt tính bề mặt đã được bổ sung vào đất gia cố xi măng.

Vôi có khả năng làm giảm hoặc loại bỏ tính dẻo của đất, đặc biệt là đất sét, mặc dù hiệu quả không cao như với hỗn hợp đất đá dăm hay sỏi đỏ Trong xây dựng, tỷ lệ vôi sử dụng cho móng đường khoảng 5-10%, trong khi các lớp đệm chỉ cần 2-3% vôi Tại Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng đất gia cố bắt đầu từ sớm và được thực hiện bởi các viện như Viện Kỹ thuật giao thông và Trường Đại học Giao thông, với quy mô ngày càng lớn Đề tài này thu hút sự quan tâm của nhà nước và được coi là quan trọng trong xây dựng công trình giao thông Nghiên cứu ứng dụng vôi và xi măng đã mở rộng đến các địa phương, với các dự án thí điểm tại nhiều tỉnh như Hà Nội, Long An, Trà Vinh và Đồng Tháp.

Khu vực phía Bắc Việt Nam đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng gia cố đất từ đồng bằng đến miền núi Tại Tây Nguyên và Đông Nam Bộ, các nghiên cứu tập trung vào đất đỏ bazan và đất bùn sét ở miền Tây Phương pháp gia cố phổ biến hiện nay là sử dụng chất kết dính vô cơ như vôi và xi măng Một số công trình thử nghiệm gia cố đất đã được thực hiện tại Việt Nam.

Vào năm 1974, một đoạn thí điểm trên đường Hàng Bột được xây dựng với kết cấu bao gồm lớp móng dưới bằng đất gia cố 8% vôi dày 18cm, lớp móng trên bằng đất gia cố 12% vôi dày 15cm, và lớp mặt nhựa thấm nhập sâu dày 8cm Kết quả đo cường độ chung của toàn bộ kết cấu từ năm 1974 đến 1978 cho thấy sự gia tăng liên tục, cho phép mặt đường hoạt động hiệu quả trong điều kiện lưu lượng xe cao.

Bộ Kiến trúc đã thực hiện một đoạn đường thí điểm tại thị xã Hưng Yên, với kết cấu đơn giản gồm một lớp đất gia cố 18% vôi trên lớp nhựa dày 3kg/m² Tình trạng chung cho thấy đoạn đường này đáp ứng tốt yêu cầu khai thác.

Phân Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải Phía Nam đã hợp tác với Tổng Công ty Xây dựng để thi công thí điểm đoạn đường gia cố vôi tại Quốc lộ 62 - Long An, sử dụng máy phay chuyên dụng CS-120 Cấu trúc đường bao gồm lớp móng dưới bằng đất gia cố 7% vôi, dày 20cm; lớp móng trên bằng đất gia cố 10% vôi, dày 22cm; và lớp mặt bê tông nhựa nóng dày 6cm Đến nay, mặt đường vẫn hoạt động tốt trong điều kiện lưu lượng xe cao.

Gần đây, An Giang đã áp dụng phương pháp đất trộn xi măng trong thi công xây dựng mặt đường giao thông nông thôn, nhằm phục vụ cho xe thô sơ và xe tải trọng nhỏ.

Nghiên cứu của Trần Long Giang tại Bắc Giang đã áp dụng phương pháp gia cố đất bằng xi măng cho kết cấu mặt đường, sử dụng loại đất cát san lấp trộn xi măng với chiều dài 334m Sau 28 ngày, mô đun của mẫu đất gia cố đạt hơn 100MPa với hàm lượng xi măng ≥12%, cho phép xe tải nhẹ lưu thông an toàn Thí nghiệm trên 20 mẫu đất gia cố sau 7 ngày cho kết quả mô đun đàn hồi E > 120MPa với lớp đất đá hóa cứng dày 20cm.

Hình 2.1: Hiện trạng tuyến đường liên huyện Việt Yên [5]

Hình 2.2: Phay nhỏ đất và rải xi măng theo hàm lượng [5]

Hình 2.3: Tưới dung dịch xử lý (nước + phụ gia) đều trên lớp đất [5]

Hình 2.4: Trộn hỗn hợp đất gia cố bằng thiết bị chuyên dùng [5]

Hình 2.5: Lu lèn chặt lớp đất gia cố [5]

Hình 2.6: Hoàn thiện mặt đường [5]

Hình 2.7: Thí nghiệm xác định giá trị mô đun đàn hồi [5]

Việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp gia cố đất cho các công trình đã được triển khai từ sớm, đặc biệt tại các tỉnh miền Bắc Việt Nam Hiện nay, công nghệ này đang tiếp tục được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trên toàn quốc.

Cơ chế hình thành cường độ đất gia cố

Đồng bằng sông Cửu Long sở hữu quỹ đất lớn với nhiều đất bùn sét, đòi hỏi các biện pháp cải tạo để nâng cao tính chất cơ lý của loại đất này Việc làm cứng hóa bùn là một giải pháp quan trọng, trong đó xi măng và vôi được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi như các chất kết dính nhằm cải thiện chất lượng đất ở vùng đất yếu.

Cường độ đất gia cố được xác định qua hai yếu tố chính: cứng hóa và ổn định Cứng hóa liên quan đến việc cải thiện các tính chất cơ lý của đất, bao gồm cường độ nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo, độ sệt và ổn định nước Trong khi đó, ổn định tập trung vào việc giảm thiểu và hạn chế các chất ô nhiễm có trong đất bùn sét.

Có 3 phản ứng xảy ra chính gồm: khử nước, trao đổi ion, phản ứng keo hóa khi gia cố đất bùn Cường độ đất sau khi gia cố phụ thuộc chủ yếu vào phản ứng keo hóa được tăng từ từ theo thời gian [6]

Phản ứng trao đổi cation giúp tạo ra chất kết dính C-S-H qua phản ứng puzzolan: nCaO + SiO 2 + yH 2 O → C-S-H (2.1)

2.2.1 Nguyên lý hình thành cường độ đất gia cố xi măng Đất sau khi được gia cố xi măng, thông qua việc đầm nén và biến cứng lâu dài trong môi trường ẩm, hỗn hợp sau khi gia cố trở thành một vật thể toàn khối, bền vững Hàm lượng chất kết dính với phương pháp gia cố phù hợp là yếu tố quan trọng đến chất lượng mẫu Cùng với đó là hàm lượng nước cần thiết đảm bảo cho quá trình thủy phân và thủy hóa của xi măng Diện tích bề mặt đất sét tiếp xúc lớn nếu không được nghiền đập kỹ và trộn cẩn thận thì không thể làm cho độ chặt của hỗn hợp đạt được đến độ chặt lớn nhất [7]

Quá trình trao đổi ion và phản ứng hóa học sau khi trộn đất với xi măng được diễn ra trong thời gian dài, gồm 2 giai đoạn: [7]

Giai đoạn I của quá trình chuyển hóa ion trong xi măng bắt đầu khi các ion từ mạng tinh thể của khoáng vật được chuyển vào môi trường nước và tiến hành hiđrát hóa Sau đó, các khoáng vật mới được kết tinh từ dung dịch sản phẩm hiđrát Trong giai đoạn này, từ những hạt nguyên sinh của đất kết dính và các mầm kết tinh, cấu trúc ngưng tụ hình thành, tạo nên một mạng lưới không gian chưa có trật tự nhất định từ các hạt nhỏ nhất của pha rắn phân tán trong môi trường.

Giai đoạn II là quá trình đông cứng tạo ra cấu trúc kết tinh, loại cấu trúc có cường độ và độ ổn định nước cao nhất Cấu trúc kết tinh được coi là tốt nhất vì nó phát sinh từ cấu trúc keo tụ do sự hòa tan trong nước, với thành phần pha rắn phân tán vốn có từ trước nhờ sự xuất hiện của dung dịch bão hòa đối với chất thủy hóa mới.

Giai đoạn đầu đất trộn với xi măng và nước để tạo ra hiđrô silicát canxi

Quá trình tương tác giữa đất và các sản phẩm thủy hóa như hiđrô silicát canxi (CaO.SiO2.nH2O hoặc Ca(OH)2) diễn ra mạnh mẽ do diện tích tiếp xúc lớn Đặc biệt, hiện tượng này rõ rệt hơn ở những loại đất không chứa carbonat và không bão hòa bazơ Sự hấp thụ cation Ca++ từ canxi hiđrôxít trong dung dịch làm giảm nồng độ ion canxi trong hệ thống, dẫn đến sự chậm lại của quá trình hóa rắn giữa đất và xi măng, làm giảm độ bền của cấu trúc đất gia cố xi măng so với xi măng hay bê tông thông thường.

Quá trình gia cố đất bằng xi măng làm thay đổi các tính chất cơ lý của đất, ảnh hưởng đến cường độ của nó, bao gồm thành phần hạt, khoáng chất, hàm lượng chất mùn và độ pH Đất á cát và hỗn hợp sét-cát với cấp phối tốt nhất là những loại đất phù hợp nhất để gia cố bằng xi măng Đất cát với nhiều kích cỡ hạt và á sét nhẹ cũng có thể được sử dụng Mặc dù đất á sét nặng và đất sét cũng có thể gia cố xi măng, nhưng cần nhiều xi măng hơn và tốn nhiều năng lượng trong quá trình gia công.

2.2.2 Nguyên lý hình thành cường độ đất gia cố vôi

Vôi được sử dụng phổ biến trong xây dựng đường để gia cố đất, đặc biệt trong thi công lớp móng dưới và lớp móng trên Việc gia cố đất bằng vôi không chỉ tăng cường độ cho lớp kết cấu nền và mặt đường mà còn mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.

- Giảm tính dẻo của đất

- Chống lại sự thấm nước

- Tăng cường độ theo thời gian

- Sử dụng thân thiện với môi trường

Quá trình hình thành cường độ đất gia cố vôi được thể hiện dưới đây: [7]

- Có sự trao đổi ion + hoá trị một X + vốn có ở lớp khuếch tán các hạt đất lấy các ion Ca + có trong vôi

Khi vôi tôi trong nước, phân tử vôi phân ly thành các ion:

Phương trình trao đổi ion diễn ra giữa đất mang ion X^+ và Ca(OH)2, tạo ra đất mang ion Ca^2+ cùng với ion X^+ hoặc 2XOH Trong đó, ion X^+ có thể là H^+, Na^+, K^+, v.v.

Các phương trình hóa học sẽ tiến hành theo chiều thuận khi thêm vào hỗn hợp một lượng CaO đủ lớn và hoạt tính Việc này giúp giảm độ dẻo của đất, đồng thời tăng cường độ và độ ổn định của nước.

- Quá trình Cacbonat hoá vôi khi vôi hút CO2 trong không khí và có trong lỗ rỗng của đất:

Khi có mặt nước thì phản ứng cacbonat hoá này có thể xảy ra CaCO 3 là chất kết tinh rắn chắc, tạo ra tác dụng gia cố đất

Quá trình tự kết tinh của Ca(OH)2 theo phản ứng hóa học dưới đây:

Ca(OH)2 + nH2O →Ca(OH)2.nH2O (2.6)

Vôi trong nước sẽ chuyển từ thể keo sang thể kết tinh, kết hợp với đất để tạo thành một khối đồng nhất Sau khi vôi kết tinh, độ hòa lẫn trong nước giảm một nửa so với phân tử vôi chưa định hình, từ đó tăng cường tính ổn định nước cho đất gia cố.

Vôi phản ứng hóa học với các hợp chất silicát có trong đất, tạo ra những chất kết dính mới có khả năng cứng hóa trong môi trường ẩm tương tự như xi măng.

CaO.SiO2.nH2O (hiđrô silicát canxi) hoặc 3CaOH.Al2O3.6H2O (hiđrô aluminát canxi): x Ca(OH)2 + SiO2 + (n-1)H2O => xCaO.SiO2.nH2O (2.7) x Ca(OH) 2 + Al 2 O 3 + (n-1) H 2 O => xCaO.Al 2 O 3 nH 2 O (2.8)

Các hợp chất mới được hình thành từ quá trình phân giải xi măng trong nước là những chất kết dính quan trọng, giúp cải thiện tính ổn định của đất gia cố vôi Nhờ vào sự hiện diện của chúng, đất không chỉ có khả năng duy trì độ ẩm tốt mà còn gia tăng cường độ trong môi trường ẩm Để tăng tốc độ tương tác hóa học và hóa lý giữa vôi và hạt sét trong đất, việc sử dụng các chất phụ gia như muối Na2SiO3 là cần thiết.

Na2SiO4, MgSiO4, độ ổn định nước [7]

Các nhân tố ảnh hưởng cường độ đất gia cố

Cường độ của đất gia cố ảnh hưởng bởi: [8]

Gia cố đất bằng xi măng thường được áp dụng cho các loại đất như á cát, đất lẫn sỏi và cuội cát đá dăm với thành phần cấp phối tốt, nhờ vào mức độ phân tán thấp và khả năng trao đổi ion không lớn, giúp liên kết xi măng đạt cường độ cao Theo tiêu chuẩn Anh, chỉ nên gia cố với xi măng cho đất có chỉ số dẻo dưới 20, trong khi tiêu chuẩn Trung Quốc yêu cầu chỉ số dẻo phải dưới 17 và tỷ lệ hạt lọt qua sàn 0,075mm không vượt quá 25%, đặc biệt khi chỉ số dẻo lớn hơn 10 Đối với đất có nhiều sét và cấp phối hạt kém, việc sử dụng xi măng sẽ tốn kém hơn, gây khó khăn trong quá trình làm nhỏ và trộn đều, đồng thời dễ dẫn đến hiện tượng nứt.

Các loại đất á cát - á sét, đất bụi và đất sét có thể gia cố bằng vôi, nhưng hiệu quả gia cố phụ thuộc vào thành phần hạt sét trong đất Đất có chỉ số dẻo cao sẽ có cường độ gia cố tốt hơn do hoạt tính mạnh của sét Ngược lại, đất sét nặng chứa quá nhiều hạt sét sẽ có cường độ kém hơn vì khó trộn đều với vôi và dễ bị nứt sau khi kết cấu hình thành Đối với đất có chỉ số dẻo quá thấp như á cát hoặc cát, cường độ gia cố cũng không cao vì hoạt tính thấp và khó lu lèn chặt Do đó, loại đất lý tưởng để gia cố bằng vôi là loại có chỉ số dẻo trong khoảng 10-20 Mối quan hệ giữa cường độ đất gia cố và loại đất cùng tỷ lệ vôi được thể hiện rõ trong Hình 2.1.

1 Đất sét bụi; 2 Đất sét lẫn sỏi cuội; 3 Đất á sét; 4 Cát Hình 2.8: Sự gia tăng cường độ của đất gia cố vôi tùy thuộc loại đất và tỷ lệ vôi [8]

Đất có thành phần khoáng caolinit và chứa nhiều ion Ca++ sẽ mang lại hiệu quả gia cố cao Ngược lại, nếu đất chứa muối kiềm, đặc biệt là muối sunfat như CaSO4, hiệu quả gia cố sẽ kém do sự nở thể tích khi muối này kết tinh, làm giảm cường độ liên kết xi măng.

Hàm lượng muối sunfat trong đất không nên vượt quá 0,25%, trong khi tổng hàm lượng các loại muối khác không được vượt quá 4% theo khối lượng khô Điều này được minh chứng qua phản ứng hóa học liên quan.

MgSO4 + Ca(OH)2 + 2H2O => Mg(OH)2 + CaSO4.2H2O (2.9) Đất gia cố với xi măng là loại đất được phép dùng để đắp nền đường (tiêu chuẩn TCVN 9436:2012 [9]) theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014 [10]

Theo nghiên cứu của Kaki và cộng sự, ba loại đất gồm cát, sét và sỏi khi gia cố bằng xi măng cho thấy rằng đất cát có cường độ cao hơn so với đất sét và sỏi Đặc biệt, hàm lượng hạt sét trong đất càng cao thì lượng xi măng cần trộn phải được điều chỉnh phù hợp với tỷ lệ cát và sét để đảm bảo đạt được cường độ yêu cầu, vì diện tích bề mặt tiếp xúc của đất rất lớn.

Hình 2.9 minh họa ảnh hưởng của loại đất đến cường độ nén của mẫu đất gia cố bằng xi măng, trong đó hàm lượng xi măng, cường độ nén không nở hông, đất phù sa, đất sét, cát và sỏi đều là những yếu tố quan trọng.

2.3.2 Xi măng, hàm lượng xi măng

Khi gia cố đất và cát, bạn có thể sử dụng bất kỳ loại xi măng nào, nhưng nên chọn loại có thời gian ninh kết dài để thuận tiện cho quá trình thi công Tránh sử dụng xi măng ninh kết nhanh, xi măng sớm tăng cường độ và xi măng bị biến chất do ẩm.

Gia cố đất bằng xi măng Portland cho hiệu quả cao hơn so với việc sử dụng vôi và tro bay, theo nghiên cứu của S Bhattacharja và J.I Bhatty Mặc dù cả hai phương pháp đều dựa trên phản ứng hóa học tương tự, nhưng mức độ tăng cường độ của đất lại khác nhau Khi thêm chất kết dính vào đất, độ ẩm giảm do phản ứng hydrat hóa, dẫn đến sự gia tăng nhẹ về cường độ Quá trình trao đổi cation cũng cải thiện tính dẻo của đất, và sau các phản ứng hóa học, cường độ của hỗn hợp tăng đáng kể.

Hình 2.10 thể hiện cường độ nén của mẫu đất gia cố với các tỷ lệ khác nhau của xi măng và vôi Cường độ chịu nén được đo lường theo tuổi mẫu sau khi ổn định, cho thấy ảnh hưởng của xi măng, vôi, tro bay và đất đến tính chất cơ học của mẫu.

Jacobson [13] đã thực hiện thí nghiệm trên một loại đất sử dụng hai loại xi măng có hàm lượng 200kg/m³ Xi măng loại I là loại thông dụng theo tiêu chuẩn ASTM C150, trong khi xi măng loại II chứa thêm hoạt chất sunfat Kết quả cho thấy, khi gia cố đất bằng xi măng loại I, quá trình hydrat hóa diễn ra nhanh chóng và cường độ đạt cao hơn so với khi sử dụng xi măng loại II, như thể hiện trong Hình 2.11.

Hình 2.11: Ảnh hưởng của loại ximăng đến cường độ [13]

(unconfined compressive strengh = cường độ nén không nở hông, cure time = tuổi mẫu, days = ngày)

Vôi có thành phần hóa học CaO hoặc MgO đều có khả năng gia cố đất Vôi CaO giúp tăng cường độ đất nhanh hơn trong giai đoạn đầu so với vôi MgO, nhưng vôi MgO cũng phát huy hiệu quả tương tự ở giai đoạn sau, đặc biệt khi sử dụng với tỷ lệ cao Để đạt hiệu quả tốt nhất, tổng hàm lượng CaO + MgO nên đạt tối thiểu 60% đối với vôi sống nghiền và 50% đối với vôi tả Hàm lượng CaO + MgO càng cao thì hiệu quả gia cố càng tốt Cần lưu ý rằng vôi bảo quản lâu sẽ giảm hoạt tính, do đó nên sử dụng vôi mới trong vòng 3 tháng; nếu sử dụng vôi cũ với hàm lượng CaO + MgO thấp, cần thực hiện thử nghiệm và điều chỉnh tỷ lệ vôi cho phù hợp.

Vôi nghiền mịn mang lại hiệu quả gia cố cao, đặc biệt khi được sử dụng để gia cố đất sét ẩm, nhờ vào khả năng sinh nhiệt lớn khi trộn với đất ẩm, giúp tăng tốc độ biến cứng của đất Tuy nhiên, chi phí nghiền vôi cao và bụi vôi phát sinh trong quá trình thi công khiến việc sử dụng vẫn còn hạn chế Hình 2.12 minh họa mối quan hệ giữa cường độ và độ ổn định của đất gia cố vôi với tỷ lệ vôi và thời gian.

Hình 2.12: Cường độ đất gia cố vôi theo tỷ lệ vôi và tuổi nén mẫu [8]

Khi hàm lượng vôi trong đất gia cố tiếp tục tăng đến một mức nhất định, cường độ của đất sẽ tăng chậm lại, cho thấy hiệu quả của việc tăng tỷ lệ vôi trở nên kém đi Điều này xảy ra do sự tồn tại của vôi tự do trong lỗ rỗng của đất, khi mà lượng vôi dư thừa không phản ứng và trao đổi hoàn toàn với đất, dẫn đến cường độ của vôi thấp hơn cường độ liên kết giữa đất và vôi.

- Đối với đất gia cố xi măng:

Cường độ chịu nén và hàm lượng xi măng thông qua thời gian bảo dưỡng của Iunjie Yang và cộng sự [14] như sau:

Giá trị dự báo cường độ của đất gia cố xi măng (q u) tại thời điểm đóng rắn t được xác định trong các điều kiện nhất định Cường độ này được so sánh với cường độ tại thời điểm đóng rắn t0 (q ut0) trong cùng một điều kiện Yếu tố b liên quan đến hàm lượng xi măng cũng ảnh hưởng đến cường độ của đất gia cố.

Hình 2.13: Đồ thị biểu diễn dự báo cường độ đất gia cố [14]

(unconfined compressive strengh = cường độ nén không nở hông, curing time = tuổi mẫu) Giá trị b được biểu diễn qua tỷ lệ R = xi măng / nước

Hình 2.14: Mối quan hệ giữa tham số b và tỷ lệ xi măng - nước [14] (undetermined parameters = thông số điều kiện, cement - water ratio = tỷ lệ xi măng

- nước, cement incorporation ratio = tỷ lệ kết hợp xi măng)

Cường độ chịu nén của mẫu được so sánh giữa giá trị đo được vs giá trị dự báo từ công thức:

Hình 2.15: So sánh giữa giá trị dự đoán và đo được [14]

(intensity predictive value = giá trị cường độ dự đoán, strength measured value giá trị đo cường độ, cement ratio = tỷ lệ xi măng, curing time = tuổi mẫu)

Tổng quan các nghiên cứu và ứng dụng đất gia cố trong và ngoài nước

Nghiên cứu của Nguyễn Quốc Dũng và nhóm nghiên cứu về công nghệ xây dựng đường giao thông bằng đất tại chỗ gia cố chất kết dính như xi măng, Roadcem, tro bay và tro xỉ đã chỉ ra rằng đất gia cố xi măng và Roadcem được ứng dụng hiệu quả trong công trình đường GTNT Qua thí nghiệm, tỷ lệ phối trộn giữa đất, xi măng và Roadcem được xác định là 160kg/m3 và 1,4kg/m3 trong 1m3 khối đất, cho kết quả cường độ chịu nén Rn 28 đạt 2,0MPa, cường độ kéo uốn Rku28 đạt 0,8Mpa, và mô đun đàn hồi E 28 đạt 350Mpa Những kết quả này đáp ứng các yêu cầu và quy định tại tiêu chuẩn TCVN 10379.

Nghiên cứu tại Cần Thơ đã đánh giá hiệu quả của việc kết hợp xi măng (XM) và tro bay (TB) để gia cố đất á cát làm móng đường ô tô Các tỷ lệ sử dụng là 6%, 8%, 10%, 12% XM và 6%XM+2%TB, 8%XM+2%TB Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu nén (Rn), cường độ ép chẻ (Rech) và mô đun đàn hồi (E) của mẫu đất gia cố có kích thước 10,16x11,7cm đã được cải thiện đáng kể sau 28 ngày Cụ thể, Rn tăng từ 2-6% (chế độ ngâm bão hòa) và 1-7% (chế độ dưỡng ẩm) khi gia cố với 6-12% XM, trong khi Rech tăng 25-71% và E tăng 4-5% so với 14 ngày tuổi Đặc biệt, khi sử dụng TB từ 20-25% trong thành phần chất kết dính vô cơ, Rn ở 28 ngày tuổi tăng từ 13-27% (chế độ ngâm bão hòa) và 8-20% (chế độ dưỡng mẫu) so với 14 ngày tuổi.

Việc ứng xử đất An Giang trộn xi măng nhằm phục vụ xây dựng đường giao thông nông thôn cho xe tải nhẹ được thực hiện bằng cách lấy đất sét và đất cát ở độ sâu từ 0,1 đến 0,6m, gần tim đường và dọc theo chiều dài tuyến đường nông thôn tại P Mỹ Hòa, An Giang Các mẫu đất trộn xi măng được chế tạo dưới dạng lăng trụ trong khuôn nhựa PVC với tỷ số giữa chiều cao và đường kính lớn hơn hoặc bằng 2, với kích thước khuôn là 120±2mm chiều cao.

Mẫu có đường kính 55±2mm được cố định bằng 2-3 vòng kẹp thép và chuẩn bị trong phòng với hàm lượng xi măng 5%, 7.5%, 10%, 12.5% và 15%, được đầm chặt và bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng Các tổ hợp mẫu được nén ở các ngày tuổi 7, 10, 14, 21, 25, 28, 34, 45, 60, 90, 104, 108, 110 Kết quả cho thấy với đất sét có độ ẩm gia cường 40% và 21 ngày tuổi, sức kháng nén và mô đun biến dạng tăng 13 và 49 lần với hàm lượng xi măng 10%; 16 và 123 lần với 12.5%; và 17 và 132 lần với 15% Đất sét có cường độ tăng chậm khi tăng lượng xi măng lên đến 15%, trong khi đó cường độ của đất cát tăng đáng kể theo hàm lượng xi măng Cường độ mẫu cũng tăng theo thời gian bảo dưỡng, với đất sét ở độ ẩm 40% và hàm lượng xi măng 10%, cường độ phát triển nhanh trong 7-14 ngày đạt 103% và chỉ tăng 18% từ 14-21 ngày Đối với đất cát, kết quả cho thấy cường độ hỗn hợp đất gia cố sẽ cao hơn khi thời gian bảo dưỡng kéo dài.

Nghiên cứu của Nguyễn Mạnh Thủy và Vũ Đức Tuấn về việc gia cố vật liệu đất tại chỗ bằng xi măng tro bay trong kết cấu áo đường tại Tây Ninh đã chỉ ra rằng việc trộn đất sét pha với 4, 6, và 8% xi măng tro bay cho thấy sự cải thiện đáng kể về cường độ Đặc biệt, mẫu với 8% xi măng tro bay sau 28 ngày bảo dưỡng có cường độ chịu nén tăng 3,2 lần, độ bền ép chẻ tăng 4,7 lần và mô đun biến dạng tăng 2,5 lần so với mẫu chưa gia cố Trong khi đó, mẫu gia cố 4% cho thấy sự giảm nhẹ về cường độ sau khi bảo dưỡng 28 ngày và ngâm nước 4 ngày Tác giả cũng chỉ ra rằng thời tiết ảnh hưởng đến cường độ của các mẫu sau khi bảo dưỡng và ngâm bão hòa, nhưng tổn thất về cường độ không đáng kể.

Mojtaba Shojaei Baghini và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia styrene butadien vào đất gia cố xi măng bằng cách xác định mối quan hệ giữa độ ẩm và khối lượng thể tích khô thông qua các thí nghiệm như đầm nén tiêu chuẩn, cường độ chịu nén nở hông (UCS), kéo gián tiếp (ITS), mô đun đàn hồi (ITRM), cường độ chịu kéo khi uốn (FS) và giá trị U-CBR Mẫu thử nghiệm được đúc và bảo dưỡng cẩn thận để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

Trong quá trình thí nghiệm với các mẫu ở các thời gian 7, 28 và 60 ngày, kết quả cho thấy rằng khi đạt được độ ẩm tối ưu, khối lượng thể tích khô tăng 0.25% cho mỗi 1% xi măng được thêm vào Khi kết hợp phụ gia styrene butadien (5%-10%) với 4% xi măng, khối lượng thể tích khô đạt mức tối đa khi phụ gia chiếm 8% Các kết quả thí nghiệm UCS, ITS, ITRM, FS và U-CBR lần lượt tăng 94,5%; 97%; 56%; 81,5%; và 42,5% so với mẫu trộn 4% xi măng với đất thông thường.

Khảo sát sự ảnh hưởng của đất sét gia cố xi măng bởi S.Sasanian và

T.A.Newson [20] đã tiến hành khảo sát đất sét được xử lý bằng xi măng chịu ảnh hưởng các thông số như: thời gian ninh kết, hàm lượng xi măng, độ ẩm và các khoáng vật Kết quả thí nghiệm cho thấy sức chống cắt không thoát nước và độ nhạy của đất sét trộn xi măng vẫn tiếp tục tăng theo thời gian ninh kết kéo dài [20]

Nghiên cứu của Khelifa Harichane, Mohammed Ghrici và Said Kenai về đất sét gia cố đã thực hiện thí nghiệm với hai loại đất là đất sét mềm và đất sét cứng, kết hợp pozzolana và vôi để cải thiện độ bền của đất nền Các tỷ lệ thử nghiệm từ 0-10% pozzolana và 0-20% vôi được bảo dưỡng trong 1, 7, 28 và 90 ngày Kết quả cho thấy, khi tăng lượng pozzolana, độ ẩm của đất sét mềm giảm và khối lượng thể tích khô tăng, trong khi đất sét cứng có độ ẩm tăng đến một ngưỡng nhất định rồi giảm dần Cường độ nén của cả hai loại đất đều tăng khi hàm lượng vôi đạt 10%, với đất sét mềm đạt cường độ 3,6 MPa sau 90 ngày bảo dưỡng, tăng gấp 38 lần so với đất không gia cố Đối với mẫu đất sét mềm với 10% pozzolana và 4% vôi, cường độ nền tăng 34 lần, trong khi đất sét cứng tăng 14 lần Sự kết hợp giữa vôi và pozzolana cho thấy hiệu quả cao hơn so với việc sử dụng riêng lẻ từng loại.

Viện Hàn lâm Khoa học ở Washington đã nghiên cứu về xử lý đất gia cố bằng xi măng, vôi và tro bay, đồng thời mô tả và so sánh các phản ứng cơ bản giữa các chất ổn định này với đất Bài báo nêu rõ các cơ chế dẫn đến sự ổn định của đất và đề xuất lựa chọn chất kết dính phù hợp cho từng loại đất Tác giả cũng thiết kế hỗn hợp xác định hàm lượng chất kết dính cần thiết để gia cố đất, dựa trên chỉ số dẻo Ip của đất, và trình bày ba phương pháp gia cố đất hiệu quả.

Hình 2.18: Lựa chọn chất kết dính để gia cố đất [22]

Việc ứng dụng công nghệ gia cố đất trong kết cấu nền mặt đường là cần thiết, mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật Tuy nhiên, hầu hết các loại đất được khảo sát đều là đất tốt, trong khi vẫn chưa có nghiên cứu đầy đủ cho đất bùn sét và đất có độ ẩm rất cao.

Theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014 thì không nên dùng loại đất có chỉ số dẻo

Tiêu chuẩn gia cố đất bằng xi măng quy định rằng chỉ số dẻo của đất nên dưới 20 theo tiêu chuẩn Anh và dưới 17 theo tiêu chuẩn Trung Quốc Đất có nhiều sét và phân bố hạt không đồng đều sẽ dẫn đến việc tiêu tốn xi măng, khó trộn đều và dễ nứt Đặc biệt, đất có tỷ lệ mùn hữu cơ trên 2% và độ pH dưới 6 không nên gia cố bằng xi măng do môi trường axit gây bất lợi cho quá trình biến cứng Tuy nhiên, các giả thuyết này vẫn chưa được kiểm chứng hoàn toàn, trong khi một số nghiên cứu về các loại đất vẫn đang được thực hiện Đề tài nghiên cứu tập trung vào đất bùn sét tại Cà Mau, với chỉ số dẻo từ 15 đến 35, nhằm gia cố mẫu đất bằng vôi và xi măng để thiết kế lớp móng dưới cho kết cấu nền đường.

THIẾT KẾ CẤP PHỐI ĐẤT GIA CỐ

Vật liệu gia cố đất

Lựa chọn vật liệu: Đất và chất kết dính (xi măng, vôi)

Đất bùn sét được thu thập từ công trình xây dựng tuyến đường giao thông kết nối vào khu vực Đầm Thị Tường, tỉnh Cà Mau Các mẫu đất này được bảo quản trong bao nhựa để duy trì độ ẩm tự nhiên cho đến khi tiến hành thí nghiệm.

Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của đất bùn sét [23]

Các chỉ tiêu Đơn vị Giá trị

Chỉ số dẻo Độ ẩm

Khối lượng thể tích khô

% g/cm 3 g/cm 3 kG/cm 2 độ

+ Xi măng PC40 của INSEE được sản xuất trong nước, chỉ tiêu cơ lý tuân theo TCVN 2682:2009 [24]

Bảng 3.2: Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng

(MPa) Thời gian đông kết,

* (%) Độ ổn định thể tích (mm)

3 ngày 7 ngày Bắt đầu Kết thúc

* Xác định theo phần còn lại trên sàn lỗ không lớn hơn 0,09 mm

+ Vôi được sử dụng để gia cố đất theo TCVN 10379 :2014

+ Nước dùng trong thí nghiệm là nước sinh hoạt Đất bùn Chất kết dính (vôi, xi măng) và nước Mẫu đất gia cố

Hình 3.1: Công thức hình thành mẫu đất gia cố

Trình tự thí nghiệm

3.2.1 Xác định độ ẩm tự nhiên ban đầu của đất Độ ẩm của các mẫu đất xác định theo tiêu chuẩn TCVN 4196-2012 [25] Mẫu đất được cân khối lượng và sấy khô ở nhiệt độ (105  2) o C đến khi khối lượng không đổi Lượng nước trong đất được xác định là hàm lượng nước mất đi do đã được sấy khô Độ ẩm được xác định bởi công thức (3.1)

 M  (3.1) trong đó: w - là độ ẩm của đất (%);

M d - là khối lượng đất khô

Hình 3.2: Mẫu được cắt nhỏ trước khi sấy

Hình 3.3: Mẫu được sấy khô Kết quả: Xác định độ ẩm tự nhiên của mẫu đất là 50,64%

3.2.2 Xác định độ ẩm tối ưu của đất gia cố Độ ẩm tối ưu tương ứng với hàm lượng chất kết dính trộn vào đất được tiến hành thông qua thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn hay tiêu chuẩn 22TCN 333:06 [26] Mẫu có đường kính và chiều cao lần lượt là 101.6mm và 116.43mm Hỗn hợp đất, chất kết dính và nước sau khi trộn đều được đưa vào khuôn theo 3 lớp, mỗi lớp đầm

Mẫu đất gia cố ximăng được chuẩn bị bằng cách đầm chặt và sau đó dùng dao gạt phẳng hai mặt Độ ẩm tối ưu là mức độ ẩm mà tại đó khối lượng thể tích khô của mẫu đất gia cố đạt giá trị tối đa Khối lượng thể tích khô được xác định theo công thức cụ thể.

- Khối lượng thể tích ướt xác định theo công thức (3.2) md m M M t

(3.2) trong đó:  m - khối lượng thể tích ướt của mẫu đất (kg/m 3 );

M t - khối lượng của mẫu đất và khuôn đầm (kg);

M md - khối lượng của khuôn đầm (kg);

- Khối lượng thể tích khô xác định theo công thức (3.3)

 (3.3) trong đó:  d - khối lượng thể tích khô của mẫu đất (kg/m 3 ); w - độ ẩm mẫu đất (%).

Thiết kế cấp phối

3.3.1 Đất gia cố xi măng a Chế tạo mẫu: Đất được mang đi sấy khô và được làm tơi (đập, nghiền) vật liệu Sau đó mẫu đất được sàng qua sàng 4,75mm Các mẫu được cân theo cấp phối với hàm lượng xi măng cần dùng theo là 10%, 15%, 20%, 25% và 30% Khối lượng đất với từng hàm lượng xi măng lần lượt được cho vào khay trộn, đánh tơi trước khi cho nước vào khay, trộn đều tay với dụng cụ là cào trộn và bay đến khi hỗn hợp đồng đều trong thời gian từ 5-10 phút tương ứng khoảng 10-15 lượt trộn, sau đó mẫu được ủ khoảng 4 giờ

Hỗn hợp đất - ximăng sau khi trộn đều được cho vào khuôn theo 3 lớp, mỗi lớp được đầm 25 lần bằng chày nặng 2,495kg và có chiều cao rơi tự do 305mm Sau khi hoàn tất quá trình đầm, mẫu đất - ximăng sẽ được gạt phẳng 2 mặt bằng dao.

Lấy mẫu đất để xác định độ ẩm sau khi tạo mẫu

Quá trình thực hiện như các hình dưới đây:

Hình 3.4: Mẫu đất nguyên dạng được cắt nhỏ

Hình 3.5: Đất được làm nhỏ và rây sàn

Hình 3.6: Xác định tỷ lệ phối trộn

Hình 3.7: Phối trộn hỗn hợp với nhau

Hình 3.8: Hỗn hợp được đem ủ

Hình 3.9: Hỗn hợp được đầm nén

Hình 3.10: Mẫu đất gia cố sau khi đầm nén b Kết quả thí nghiệm:

Kết quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn cho các mẫu đất gia cố xi măng cho thấy giá trị độ ẩm tối ưu của từng tổ hợp mẫu Biểu đồ thể hiện các giá trị này được trình bày trong Hình 3.11.

Hình 3.11: Độ ẩm tối ưu cho từng mẫu đất gia cố xi măng

Mẫu đất được gia cố bằng xi măng với các hàm lượng 10%, 15%, 20%, 25% và 30% cho thấy khối lượng thể tích khô đạt giá trị tối đa tại độ ẩm từ 14% đến 17% Đặc biệt, mẫu đất gia cố với 30% xi măng có khối lượng thể tích khô lớn nhất khi độ ẩm ở mức 14%.

3.3.2 Đất gia cố vôi a Chế tạo mẫu:

Tiến hành tương tự như trên, khối lượng vôi cần dùng với hàm lượng là 5%; 7,5%; 10%; 12% và 15% b Kết quả thí nghiệm:

Dựa trên kết quả từ thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn cho các tổ hợp mẫu đất gia cố bằng vôi, chúng tôi đã xây dựng biểu đồ thể hiện giá trị độ ẩm tối ưu cho từng mẫu, như được trình bày trong Hình 3.12.

Hình 3.12: Độ ẩm tối ưu cho từng mẫu đất gia cố vôi

Mẫu đất được gia cố với các hàm lượng vôi 5%, 7,5%, 10%, 12% và 15% cho thấy khối lượng thể tích khô đạt cực đại ở độ ẩm từ 12% đến 14% Đặc biệt, mẫu đất gia cố với 12% vôi có khối lượng thể tích khô lớn nhất khi độ ẩm đạt 13%.

3.3.3 Đất gia cố hỗn hợp vôi, xi măng a Chế tạo mẫu:

Tiến hành thí nghiệm với các tỷ lệ hàm lượng vôi và xi măng như sau: 5% vôi kết hợp với 30% xi măng, 5% vôi với 15% xi măng, và 15% vôi với 15% xi măng Kết quả thí nghiệm sẽ được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo.

Dựa vào kết quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn cho các tổ hợp mẫu đất gia cố bằng vôi và xi măng, chúng tôi đã xây dựng biểu đồ thể hiện giá trị độ ẩm tối ưu cho từng mẫu, như được trình bày trong Hình 3.13.

Hình 3.13: Độ ẩm tối ưu cho từng mẫu đất gia cố vôi + xi măng

Mẫu đất được gia cố bằng vôi và xi măng với các tỷ lệ: 5% vôi + 30% xi măng, 5% vôi + 15% xi măng, và 15% vôi + 15% xi măng Tại độ ẩm từ 16% đến 18%, khối lượng thể tích khô đạt giá trị cực đại Đặc biệt, khối lượng thể tích khô lớn nhất được ghi nhận ở mẫu đất gia cố với tỷ lệ 5% vôi và 15% xi măng khi độ ẩm đạt 16%.

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG VẬT LIỆU GIA CỐ

Chế tạo mẫu

Khối lượng đất khô được tính toán tỷ lệ với lượng chất kết dính và nước cần thiết Đất và chất kết dính được cho vào khay trộn theo từng hàm lượng, sau đó được đánh tơi trước khi thêm nước Hỗn hợp được trộn đều bằng tay với dụng cụ cào trộn và bay trong khoảng 5-10 phút, tương đương với 10-15 lượt trộn, cho đến khi đạt được sự đồng nhất.

Quy trình đầm nén đất trong phòng thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn 22TCN333:06, sử dụng khuôn mẫu có kích thước đường kính trong D = 101,6mm và chiều cao H = 116,43mm Kích thước này cũng tuân thủ theo tiêu chuẩn ASTM D1633.

Sau khi trộn đều hỗn hợp đất - ximăng, hỗn hợp này được đổ vào khuôn đã chuẩn bị trước theo ba lớp, mỗi lớp được đầm chặt bằng 25 chày Sau khi hoàn tất quá trình đầm, mẫu đất - ximăng sẽ được gạt phẳng hai mặt bằng dao và được bảo dưỡng ở nơi thoáng mát.

Hình 4.1: Chế tạo mẫu đất gia cố

Cường độ chịu nén

Sau thời gian bảo dưỡng đã định trước (7 ngày, 28 ngày), lấy mẫu ra khỏi nơi bảo dưỡng và tiến hành làm nhẵn mặt các mẫu

- Xác định các thông số như:

+ Đường kính mẫu D: giá trị trung bình cho 3 vị trí đo mặt trên, giữa, mặt dưới mẫu;

+ Chiều cao mẫu H: Đo ở ba vị trí;

+ Xác định khối lượng, khối lượng riêng của mẫu đất gia cố

- Trình tự nén mẫu tuân thủ theo tiêu chuẩn ASTM D1633

+ Đặt mẫu vào bàn nén, khi bàn nén trên gần mẫu thì điều chỉnh bệ tiếp xúc đều với mẫu

+ Chỉnh đồng hồ lực và đồng hồ biến dạng về “0” Cho khởi động và chạy máy với tốc độ dầu nén xấp xỉ 1 mm/phút (theo ASTM D1633)

+ Ghi số đọc đồng hồ, tính lại diện tích mặt cắt ngang mẫu và ứng suất nén

Hình 4.2: Thí nghiệm cường độ chịu nén

- Cường độ chịu nén mẫu đất gia cố theo công thức (4.1)

 F (MPa) (4.1) trong đó: P - tải trọng nén khi mẫu bị phá hoại (N);

F - diện tích ban đầu của mặt mẫu (m 2 )

4.2.1 Đất gia cố xi măng Đất được thử nghiệm với các hàm lượng xi măng, bắt đầu từ 10% xi măng cho đến 30% xi măng và ứng với 25% xi măng, 30% xi măng thì đất gia cố cho kết quả nén tốt Cường độ chịu nén mẫu đất gia cố tăng từ 7 đến 28 ngày tuổi Gia cố đất bằng hàm lượng xi măng 25%, 30% cho kết quả độ bền khi nén đạt độ bền cấp 3 sau 28 ngày tuổi theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014 [9]

Hình 4.3: Kết quả cường độ chịu nén mẫu đất gia cố xi măng

4.2.2 Đất gia cố vôi Đất được thử nghiệm với nhiều hàm lượng vôi, bắt đầu từ 5% vôi cho đến 15% vôi và ứng với 15% vôi thì đất gia cố cho kết quả nén tốt Cường độ chịu nén mẫu đất gia cố tăng từ 7 đến 28 ngày tuổi Đất gia cố vôi 15% cho kết quả độ bền khi nén đạt độ bền cấp 3 sau 28 ngày tuổi theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014 [9]

Hình 4.4: Kết quả cường độ chịu nén mẫu đất gia cố vôi

4.2.3 Đất gia cố hỗn hợp vôi, xi măng Đất được thử nghiệm với nhiều hàm lượng xi măng, bắt đầu là 5% vôi + 30% xi măng; 5% vôi + 15%xi măng; 15% vôi + 15% xi măng thì đất gia cố đều cho kết quả nén tốt Cường độ chịu nén mẫu đất gia cố tăng từ 7 đến 28 ngày tuổi Đất gia cố hỗn hợp vôi, xi măng, kết quả độ bền khi nén đạt độ bền cấp 3 sau 28 ngày và ở

28 ngày tuổi mẫu đất gia cố 5% vôi + 30% xi măng cho kết quả độ bền khi nén đạt cấp 2 theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014 [9]

Hình 4.5: Kết quả cường độ chịu nén mẫu đất gia cố vôi, xi măng

Ép chẻ

Chuẩn tạo mẫu như thí nghiệm xác định độ ẩm tối ưu, cường độ chịu nén phải đạt độ bền cấp 3 sau 28 ngày tuổi theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014 [9ư

Tốc độ tăng tải đều trong khoảng 0,1MPa/phút đến 0,7MPa/phút tỷ lệ thuận với cường độ mẫu, thời gian phá hủy viên mẫu không nhỏ hơn 30s [28]

Cường độ chịu kéo khi ép chẻ Rkc của từng viên mẫu xác định theo công thức như sau:

Trong đó: - Rkc là cường độ chịu kéo khi ép chẻ, MPa;

- P là tải trọng phá hủy mẫu, N;

- H và D là chiều cao và đường kính mẫu (mm)

Hình 4.6: Thí nghiệm cường độ kéo ép chẻ

4.3.1 Đất gia cố xi măng

Cường độ chịu kéo của mẫu đất gia cố xi măng với hàm lượng 25% và 30% đạt độ bền cấp 3 sau 28 ngày tuổi, theo tiêu chuẩn TCVN.

Hình 4.7: Kết quả cường độ kéo khi ép chẻ mẫu đất gia cố xi măng

Cường độ chịu kéo khi ép chẻ với mẫu đất gia cố vôi 15% cho kết quả đạt độ bền cấp 3 sau 28 ngày tuổi theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014 [9]

Hình 4.8: Kết quả cường độ kéo khi ép chẻ mẫu đất gia cố vôi

4.3.3 Đất gia cố hỗn hợp vôi, xi măng

Cường độ chịu kéo của mẫu đất gia cố hỗn hợp (vôi, xi măng) được thể hiện qua Hình 4.9, cho thấy rằng sau 28 ngày tuổi, các mẫu đạt độ bền cấp 3 theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014.

Hình 4.9: Kết quả cường độ kéo khi ép chẻ mẫu đất gia cố vôi, xi măng

Mô đun đàn hồi

Tiến hành thí nghiệm như trên và cường độ chịu nén phải đạt độ bền cấp 3 sau

28 ngày tuổi theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014 [9]

Theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014, việc gia cố đất bằng chất kết dính vô cơ, hóa chất hoặc gia cố tổng hợp là cần thiết trong xây dựng đường Để đánh giá chất lượng, trị số mô đun đàn hồi của đất gia cố có thể được xác định thông qua thí nghiệm theo TCVN 9843:2013.

Mô đun đàn hồi của vật liệu gia cố (Eđh) xác định theo công thức (4.3)

Trong đó: - P là tải trọng tác dụng nén mẫu, N;

- p là áp lực nén lên mặt mẫu, Mpa;

- H và D là chiều cao và đường kính mẫu, mm ;

- L là biến dạng phục hồi (đàn hồi) của mẫu vật liệu, mm;

- Eđh là mô đun đàn hồi của vật liệu, Mpa

Hình 4.10: Thí nghiệm mô đun đàn hồi

4.4.1 Đất gia cố xi măng

Mô đun đàn hồi mẫu đất gia cố với hàm lượng xi măng đạt 30% cho kết quả đạt độ bền cấp 3 sau 28 ngày tuổi theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014 [9]

Hình 4.11: Kết quả mô đun đàn hồi mẫu đất gia cố xi măng

Mô đun đàn hồi mẫu đất gia cố vôi 15% cho kết quả đạt độ bền cấp 3 sau 28 ngày tuổi theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014 [9]

Hình 4.12: Kết quả mô đun đàn hồi mẫu đất gia cố vôi

4.4.3 Đất gia cố hỗn hợp vôi, xi măng

Mô đun đàn hồi mẫu đất gia cố 5% vôi + 30% xi măng và 15% vôi + 15% xi măng cho kết quả đạt độ bền cấp 3 sau 28 ngày tuổi theo tiêu chuẩn TCVN 10379:2014

Hình 4.13: Kết quả mô đun đàn hồi mẫu đất gia cố vôi, xi măng

Tổng hợp kết quả thí nghiệm

Hình 4.14: Kết quả cường độ chịu nén

Cường độ chịu nén của mẫu đất gia cố đã tăng lên, đạt độ bền cấp 3, ngoại trừ mẫu đất gia cố với 12% vôi chưa đạt tiêu chuẩn này Mẫu đất gia cố bằng hỗn hợp vôi và xi măng cho cường độ chịu nén cao hơn so với mẫu chỉ sử dụng một loại gia cố Cụ thể, mẫu đất gia cố với tỷ lệ 5% vôi và 30% xi măng có cường độ chịu nén cao gấp 2,22 lần so với mẫu 15% vôi và gấp 1,72 lần so với mẫu 25% xi măng.

Hình 4.15: Kết quả cường độ kéo khi ép chẻ

Cường độ kéo khi ép chẻ của mẫu đất gia cố đạt độ bền cấp 3, với mẫu đất gia cố hỗn hợp (5% vôi + 30% xi măng) cho kết quả cường độ kéo cao hơn đáng kể so với mẫu chỉ sử dụng một loại gia cố Cụ thể, mẫu hỗn hợp có cường độ kéo cao gấp 2,22 lần so với mẫu 15% vôi và gấp 1,94 lần so với mẫu 25% xi măng.

Hình 4.16: Kết quả mô đun đàn hồi

Mô đun đàn hồi của đất gia cố đạt độ bền cấp 3, ngoại trừ mẫu đất gia cố với 25% xi măng và 5% vôi kết hợp 15% xi măng không đạt tiêu chuẩn này Mẫu đất gia cố chứa 5% vôi và 30% xi măng cho thấy mô đun đàn hồi cao hơn so với mẫu có 15% vôi hoặc 30% xi măng.