Luận Văn Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ xi măng đất

TÓM TẮT: Trên cơ sở thu thập, tổng hợp các công trình nghiên cứu của các nhà khoa
học trên thế giới về lĩnh vực xử lý đất nền bằng phương pháp xi măng đất và dựa vào kết quả
thực tế áp dụng phương pháp này tại công trình Đại lộ Đông tây Sài Gòn, bài báo nêu lên và
phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ và độ ổn định của xi măng đất. Đồng thời nêu
lên các nhận xét và các lưu ý khi sử dụng phương pháp này để cải tạo nền đất.
1. NGUYÊN LÝ ĐẤT TRỘN XI MĂNG
Hạt xi măng Portland là một hợp chất bao gồm Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium
Silicate ( C2S), Tricalcium Aluminate (C3A) và các chất rắn hòa tan như Tetracalcium
Alumino-Ferrit (C4A). Bốn phần tử chính này tạo nên sản phẩm hỗn hợp tạo độ bền chủ yếu.
Khi nước lỗ rỗng của đất gặp xi măng, thủy hóa xi măng xảy ra nhanh chóng và sản phẩm của
sự thủy hóa chính yếu ban đầu này là Hydrated Calcium Silicate (C3SHX, C3S2HX), Hydrated
Calcium Aluminate (C3SAX, C3S2AX) và Hidrocid vôi Ca(OH)2. Hai sản phẩm kết dính xi
măng chính được hình thành và thủy hóa vôi được sử dụng như pha tinh thể rắn tách biệt.
Những phần tử xi măng này kết hợp các hạt xi măng nằm kế bên với nhau trong suốt quá trình
hóa cứng để tạo thành hỗn hợp bộ khung bao quanh các hạt đất nguyên vẹn. Các pha Silicate
và Aluminate được kết hợp nội tại, do đó hầu như không có pha nào kết tinh hoàn toàn. Một
phần của Ca(OH)2 cũng có thể kết hợp với các pha Hydrate khác, chỉ có một phần được kết
tinh. Hơn nữa thủy hóa xi măng dẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng gây ra bởi sự phân ly
của vôi Hydrate. Các bazơ mạnh hòa tan Silicate và Aluminate từ cả khoáng vật sét và các
chất vô định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo cách tương tự như phản ứng acid
yếu và bazơ mạnh. Các Silica và Alumina ngậm nước sau đó sẽ từ từ phản ứng với các ion
Calcium tự do từ sự thủy phân xi măng để tạo thành hợp chất không hòa tan. Phản ứng thứ yếu
này được gọi là phản ứng puzzola. Hợp chất thủy hóa xi măng thì vẫn chưa được xác định rõ
ràng bởi các công thức hóa học, vì thế quan tâm đến các biến thể là khả thi. Các hợp chất trong
xi măng Portland được biến thể khi có nước như sau:
2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (1-1)
2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.SiO2.3H2 + Ca(OH)2 (1-2)
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 10H2O + 2Ca (OH)2 = 6CaO.Al2O3.Fe2O3.12H2O (1-3)
3CaO.Al2O3 + 12H2O+ 2Ca(OH)2 = 6CaO.Al2O3.Ca(OH)2.12H2O (1-4)
3CaO.Al2O3 + 10H2O + Ca SO4.2H2O = 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O (1-5)
Hai phản ứng (1-1) và (1-2), những chất của chúng hợp thành từ 75% xi măng Portland,
chỉ ra rằng sự thủy hóa của hai loại Calcium Silicate tạo ra các hợp chất mới: vôi và
tobermorite gel, sau đó đóng vai trò quan trọng liên quan đến cường độ và thể tích chủ yếu
được quyết định bởi vôi và tobermorite gel. Những phản ứng diễn ra trong gia cố xi măng -
đất có thể được trình bày trong những phương trình được đưa ra sau đây:
CaS + H2O > C3S2Hx ( hydrated gel) + Ca(OH)2 (1-6)
Ca(OH)2 > Ca++ + 2(OH) - (1-7)
Ca++ + 2(OH) - > CSH (1-8)
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 12, SỐ 05 - 2009
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 91
Ca++ + 2(OH) - + AL2O3 > CAH (1-9)
Khi độ pH < 12.6 thì phản ứng sau xảy ra:
C3S2Hx + H2O > C2S2Hx + Ca(OH)2 (1-10)
Để có thêm các lực liên kết được tạo ra trong hỗn hợp xi măng – sét, thành phần silicate và
aluminate trong vật liệu phải hòa tan được. Tính tan được của các khoáng vật sét thì chịu ảnh
hưởng như nhau bởi sự hiện diện của những tạp chất, bởi mức độ kết tinh của các vật liệu liên
quan, bởi cỡ hạt v.v Trong những phương trình trên, lực dính kết của những sản phẩm làm
cứng bề mặt chủ yếu mạnh hơn nhiều so với sản phẩm thứ yếu. Với độ pH thấp (pH < 12.6),
phản ứng tạo C3S2Hx (1-6) có thể sảy ra. Tuy nhiên, độ pH hạ xuống trong suốt phản ứng
puzzolan và giảm pH có khuynh hướng thúc đẩy sự thủy phân để tạo thành CSH. Sự hình
thành của CSH chỉ có ích khi nó được hình thành bởi phản ứng puzzolan của vôi và silica
trong đất (1-8), nhưng nó sẽ bất lợi khi CSH được tạo thành từ sự tiêu hủy C3S2Hx. Những đặc
tính độ bền phát sinh của C3S2Hx thì ưu việt hơn CSH. Sự thủy hóa xi măng và phản ứng
puzzolan có thể kéo dài hàng tháng, hoặc thậm chí 1 năm sau khi trộn, và vì thế độ bền của đất
được gia cố xi măng sẽ tăng theo thời gian.
Điều này có nghĩa trong xi măng - đất bao gồm những hạt sét mịn, những hợp chất hóa
cứng chủ yếu và thứ yếu được tạo thành. Những sản phẩm chủ yếu hóa rắn thành những phụ
gia cường độ cao và nó khác xi măng thông thường trong bê tông. Các quá trình thứ yếu làm
gia tăng cường độ và tính bền vững của xi măng – đất bởi việc sản sinh ra thêm những hóa
chất cứng khác để nâng cao độ bền liên kết.
Quá trình phản ứng lý – hóa của việc cải tạo đất bằng xi măng khác với nguyên lý đóng
rắn của bê tông. Đóng rắn của bê tông chủ yếu là xi măng thực hiện tác dụng thủy giải và thủy
hóa trong cốt liệu thô và cốt liệu nhỏ, do đó tốc độ đóng rắn khá nhanh. Khi dùng xi măng gia
cố đất, do lượng xi măng trộn vào trong đất rất ít (chỉ chiếm từ 7 – 15% trọng lượng đất gia
cố), phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng hoàn toàn thực hiện trong môi trường có hoạt
tính nhất định – sự khuây kín của đất, do đó tốc độ đóng rắn chậm và tác dụng phức tạp cho
nên quá trình tăng trưởng cường độ của xi măng gia cố đất cũng chậm hơn bê tông.
Nguyên lý cơ bản của việc gia cố xi măng – đất: xi măng sau khi trộn với đất sẽ sinh ra
một loạt các phản ứng hóa học rồi dần đóng rắn lại. Các phản ứng chủ yếu của chúng là:
ã Phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng.
ã Tác dụng của các hạt đất với các chất thủy hóa của xi măng.
ã Tác dụng cacbonat hóa.
Từ nguyên lý trên có thể thấy, do tác dụng cắt gọt và nhào trộn của cần khoan trên thực tế
không thể nào tránh khỏi đất còn sót lại một ít cục chưa bị đập vỡ, khi trộn vào với xi măng sẽ
có hiện tượng xi măng bao lấy cục đất, khe rỗng to giữa các cục đất trên cơ bản được lấp kín
bằng các hạt xi măng. Cho nên trong đất xi măng sau khi gia cố hình thành tình huống là bên
trong cục đất lớn nhỏ khác nhau thì không có xi măng mà ở xung quanh thì lại khá nhiều. Chỉ
có qua một thời gian tương đối dài, các hạt đất ở trong cục xi măng dưới tác dụng thẩm thấu
của các chất thủy giải của xi măng mới dần dần cải biến được tính chất của nó. Do đó trong xi
măng – đất sẽ không tránh khỏi tình trạng có những vùng đất cục có cường độ thấp hơn. Hai
loại này xen kẽ nhau trong không gian, hình thành một dạng xi măng – đất đặc biệt. Có thể nói
một cách định tính là việc trộn cưỡng bức giữa xi măng và đất càng kỹ thì đất bị đập vỡ càng
nhỏ, xi măng phân bố vào trong đất càng nhiều thì tính ly tán về cường độ xi măng – đất càng
nhỏ, cường độ tổng thể trên phạm vi rộng rãi sẽ càng cao.
Science & Technology Development, Vol 12, No.05 - 2009
Trang 92 Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM
2. ĐẶC TÍNH CỦA ĐẤT TRỘN XI MĂNG
Trong đất trộn xi măng thường dùng xi măng silicate phổ thông M425 hoặc xi măng xỉ
quặng. Lượng xi măng trộn vào là 7- 15% trọng lượng đất gia cố hoặc trọng lượng xi măng từ
150 – 250 kg/m3 đất gia cố.
Theo một số kết quả thí nghiệm xi măng – đất ở trong phòng: dung dịch của xi măng – đất
lớn hơn đất mềm từ 0.7 – 2.3% và hàm lượng nước nhỏ hơn đất mềm. Cường độ chịu nén nở
hông qu thường từ 4.08 – 40.8 kg/cm2, cường độ chịu kéo σt = 0.15 – 0.25 qu, lực dính kết C
= 0.2 – 0.3 qu, góc ma sát trong ϕ = 20 – 300 , modul biến dạng khi ứng suất của đất – xi măng
đạt đến 50% trị số phá hủy E50 = 120 – 150 qu, hệ số thấm k = 10-7 - 10–6 cm/s.
Cường độ nén nở hông của xi măng – đất lớn hơn mấy chục lần cho đến hàng trăm lần đất
mềm tự nhiên. Đặc trưng biến dạng của nó tùy thuộc sự khác nhau về cường độ và thường vào
khoảng giữa của vật thể dòn và vật thể đàn hồi dẻo.
Giai đoạn bắt đầu khi đất xi măng chịu lực, quan hệ giữa ứng suất - biến dạng về cơ bản là
phù hợp với định luật Hocke, khi ngoại lực đạt đến 70 – 80% cường độ giới hạn thì quan hệ
ứng suất – biến dạng không còn tuyến tính nữa. Khi ngoại lực đạt đến cường độ giới hạn, loại
xi măng - đất có cường độ cao xuất hiện sự phá hủy dòn rất nhanh chóng, cường độ tồn dư sau
phá hủy rất nhỏ, khi đó biến dạng trục là khoảng 0.8 – 1.2%.