TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 359
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA ĐẤT
TRỘN XI MĂNG VÀ XỈ THÉP
STUDY ON THE COMPRESSIVE STRENGTH OF SOFT SOIL IMPROVED BY
CEMENT AND FURNACE SLAG
PGS. TS. Lê Bá Vinh
Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM
TÓM TẮT
Xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng là giải pháp phổ biến, nhằm nâng cao cường
độ, giảm biến dạng của nền đất cần xử lý. Vì vậy, việc xác định một cách hợp lý hàm
lượng của các chất gia cố, sự biến đổi của cường độ chịu nén của đất gia cố là rất
quan trọng trong việc thiết kế, tính toán xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng. Bài
báo tập trung phân tích sự biến đổi về cường độ chịu nén của đất yếu khi được gia
cố bằng xi măng kết hợp với xỉ thép theo các hàm lượng khác nhau của xi măng, xỉ
thép bằng các thí nghiệm trong phòng.
ABSTRACT
Soft ground reinforcement by soil - cement columns is a common solution, to
increase the strength, and to reduce the deformation of the soil to be treated.
Therefore, the proper determination of the content of reinforcing substances, the
variation of the compressive strength of the reinforced soil are very important in the
design and calculation of soft ground reinforcement by soil - cement columns. This
paper shows the variation in compressive strength of soft soil reinforced by cement
and steel slag according to different concentrations of cement and steel slag in
laboratory experiments.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong giải pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất - xi măng, việc nâng cao cường độ
và các tính năng khác của trụ đất trộn xi măng là rất cần thiết. Về cơ bản có thể trộn đất
với chất kết dính là xi măng, ngoài ra còn có thể sử dụng thêm các chất độn, các hóa
chất phụ gia [1], [3], [5],… Do vậy, cần thí nghiệm nhằm xác định các loại chất độn
thích hợp, các hóa chất phụ gia thêm vào để có thể vừa làm nâng cao và tăng nhanh
cường độ của hỗn hợp đất trộn xi măng, đồng thời lại có thể tạo ra khả năng tiêu thoát
nước cho nền đất yếu để thúc đẩy nhanh quá trình cố kết cho đất yếu. Trong bài báo này
tiến hành nghiên cứu thí nghiệm với chất độn phụ gia là xỉ thép.
2. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN CỦA ĐẤT GIA CỐ
BẰNG XI MĂNG, XỈ THÉP
2.1. Các vật liệu sử dụng
* Đất thí nghiệm
Lấy mẫu đất thí nghiệm tại khu Đô Thị Mới Thủ Thiêm – Phường An Lợi Đông,
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
360 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
Quận 2 – Thành phố Hồ Chí Minh. Mẫu đất thí nghiệm là mẫu nguyên trạng lấy từ độ
sâu 5 m đến 13 m (tính từ mặt đất tự nhiên). Các chỉ tiêu cơ – lý của đất được trình bày
trong bảng 1.
Bảng 1. Các chỉ tiêu cơ lý của đất thí nghiệm
Loại đất W (%) γw(g/cm
3
) WL (%) Wp ( % ) φ (độ) C (kN/m2)
Bùn sét 82,2 1,499 62,6 31,5 4013 11,5
* Xi măng
Chất dính kết được sử dụng là xi măng Portland (xi măng Holcim PCB40).
* Xỉ thép
Xỉ thép sử dụng trong thí nghiệm được lấy từ công ty TNHH Vật Liệu Xanh,
đường số 10, Khu công nghiệp Phú Mỹ 1, Huyện Tân Thành, Tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu
với các tính chất hóa – lý như sau:
+ Tính chất hóa học của xỉ thép
Các thành phần hóa học chính của xỉ EAF là các Ôxít Canxi CaO, Sắt FexOy,
Magiê MgO, Mangan MnO2, Silic SiO2 và Nhôm Al2O3,… ở các phức bền vững, trong
đó thành phần chính là CaO, SiO2 và FexOy chiếm đến 80% trọng lượng của xỉ lò.
Thành phần khoáng chất của xỉ EAF [4] bao gồm:
• W: Wustite (FeO);
• CS: Calcium Silicates (2CaO.SiO2, C2S và 3CaO.SiO2, C3S);
• B: Brownmillerite (Ca2(Al,Fe)2O5, C4AF);
• M: Mayenite (12CaO.7Al2O3, C12A7);
• P: khe rỗng;
• Và thép (phần màu trắng).
Một trong những thành phần chính của xỉ thép chủ yếu là khoáng CS, đây là loại
khoáng chất chính có trong thành phần của xi măng Portland, hợp chất bao gồm các
khoáng Tricalcium Silicate (C3S), Dicalcium Silicate (C2S), Tricalcium Aluminate
(C3Al). Ngoài ra, thành phần của xỉ thép còn có các khoáng Brownmillerite, Mayenite
là một loại khoáng chất có trong đá vôi dùng cho ngành công nghiệp sản xuất xi măng.
+ Tính chất cơ lý của xỉ thép
Xỉ lò điện hồ quang có tính chất cơ học rất tốt do cấu trúc tinh thể đặc biệt, được
so sánh với cấu trúc của đá tự nhiên.
Tính chất vật lý của xỉ thép (Nguồn: The Utilisation of Recycled Aggregates
Generated From Highway Arisings and Steel Slag Fines – The University Birmingham,
May 2004) như sau:
• Khối lượng riêng: 3,3 - 3,6 tấn/m3;
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 361
• Khối lượng riêng (rời): 1,482 tấn/m3;
• Độ pH: 10 - 11;
• Độ xốp: 31 - 45%;
• Độ dẫn điện: 3,7 mS/cm.
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm, xỉ thép có những ưu điểm sau:
• Nặng hơn so với hầu hết cốt liệu tự nhiên;
• Độ ma sát tốt hơn so với bê tông asphalt;
• Độ bền cao;
• Chịu đựng tốt trong điều kiện thời tiết xấu;
• Thành phần chủ yếu là các khoáng chất tương tự như thành phần của xi măng.
Hình 1. Xỉ thép được cân để làm thí nghiệm
2.2. Chuẩn bị mẫu đất trộn xi măng, xỉ thép
Mẫu đất được trộn với xi măng theo các tỷ lệ: 200 kg/m3 đất gia cố, 220 kg/m3 đất
gia cố, và 240 kg/m3 đất gia cố. Hòa xi măng vào nước theo hàm lượng đã tính toán
trước, rồi tưới đều dung dịch này vào trong đất. Cho hỗn hợp vào máy trộn, trộn trong
vòng 5 phút để xi măng và nước được phân tán đều vào trong đất. Mẫu đất dùng để thí
nghiệm nén một trục nở hông tự do được đúc vào ống nhựa PVC đường kính trong
49mm, chiều cao 98 mm. Chia thành 3 lớp để cho vào trong ống, với mỗi lớp dùng que
sắt Φ20 đầm chặt. Tất cả các mẫu sau khi đúc xong được dán nhãn và bảo dưỡng trong
phòng ở nhiệt độ 200C, độ ẩm 95% trong 1 ngày đầu, sau đó mẫu đất được cho vào
trong thùng ngập nước bảo dưỡng trong những khoảng thời gian 7 ngày, 14 ngày, 28
ngày rồi mang đi thí nghiệm.
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
362 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
Khi thí nghiệm gia cố đất yếu bằng xi măng và xỉ thép hàm lượng xi măng sử
dụng được lấy giá trị tối ưu là 220 kg/m3, hàm lượng xỉ thép sử dụng là 16%, 18%,
20%, 22%, 24%, mỗi hàm lượng chế bị 3 mẫu, tổng cộng có 15 mẫu.
Hình 2. Các mẫu đất trộn xi măng sau khi đúc xong
Hình 3. Các mẫu đất trộn xi măng và xỉ thép
2.3. Thí nghiệm nén một trục nở hông tự do
Thí nghiệm để xác định sức chịu nén qu – là ứng suất nén khi mẫu bị phá hoại.
Mẫu đất hình trụ có chiều cao bằng 2 lần đường kính. Khi thí nghiệm theo dõi các số
đọc được máy thu nhận vào máy tính đến khi mẫu bị phá hoại hoặc biến dạng đạt đến
15% chiều cao của mẫu, lúc này đồng hồ đo lực dừng lại và giảm dần trị số.
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 363
Hình 4. Thí nghiệm nén một trục nở hông trên mẫu đất gia cố
3. CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH [2]
3.1. Đánh giá cường độ của mẫu đất trộn xi măng với các hàm lượng khác nhau
a. Mẫu có độ tuổi 7 ngày
Bảng 2. Kết quả thí nghiệm mẫu 7 ngày
KL xi măng/m3 đất 200 kg 220 kg 240 kg
Tỷ lệ nước/xi măng 0,8 0,8 0,8
qu (kPa) 543 727 1013
E50(kpa) 70.830 78.356 94.234
Hình 5. Biểu đồ thí nghiệm nén 1 trục nở hông mẫu 7 ngày