Ảnh hưởng của nồng độ muối đến đặc trưng cơ lý của đất trộn xi măng ở Cần Giờ - TP. Hồ Chí Minh

TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 352 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ MUỐI ĐẾN ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CỦA ĐẤT TRỘN XI MĂNG Ở CẦN GIỜ - TP. HỒ CHÍ MINH EFFECT OF SALINITY TO GEOTECHNICAL PROPERTIES OF SOIL - CEMENT IN CAN GIO - HO CHI MINH CITY TS. Đỗ Thanh Hải Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM TÓM TẮT Bài báo này tiến hành khảo sát ảnh hưởng của độ mặn đến đất trộn xi măng khi gia cố nền trong phương pháp trộn nông ở vùng Cần Giờ. Đây là khu vực có giá trị độ mặn thay đổi, do đó cường độ của mẫu đất trộn xi măng sẽ suy giảm khi nồng độ muối tăng lên. Hai giá trị là độ mặn tự nhiên của đất (Sa = 4,24%) và độ mặn tối đa (Sa = 10,8%) được tăng lên bằng thí nghiệm tăng mặn trong phòng. Các thí nghiệm được thực hiện là nén đơn, cắt trực tiếp và nén cố kết. Kết quả chỉ ra rằng ứng với cùng hàm lượng xi măng là 10%, độ ẩm của hỗn hợp đất sau khi trộn là 90% thì sức chống cắt của đất có Sa = 4,24% lớn hơn đất có Sa = 10,8%. Chỉ số nén Cc, chỉ số nở Cs của hai loại đất trộn không thay đổi nhiều từ 7 ngày tuổi. Cường độ nén đơn của đất có Sa = 4,24% lớn hơn đất có Sa = 10,8%. Các tương quan giữa sức chống cắt theo thời gian bảo dưỡng, sức chống cắt, cường độ nén đơn theo thời gian bảo dưỡng và module E50 cũng được chỉ ra trong nghiên cứu này. ABSTRACT This paper surveys the technical specification of cement treated soft clay to reinforce soft clay with the depth from 9m to 19m in Can Gio. It is noticed that the physical and mechanical properties of soil-cement in saline soil revealed lower value than expected. The author examine two cases : the natural salinity of soil (Sa = 4.24%) and the maximum salinity (Sa = 10.8%) found by experimenting incresed salinity in the laboratory. The experiments were conducted as unconfined compressive strength test, direct shear test, oedometer consolidation test. It is indicated that with the same cement content of 10%, the moisture content of soil-cement after mixing was 90%, the shear strength of the soil-cement with Sa = 4.24% higher than the soil-cement with Sa = 10.8%. Unconfined compressive strength of the soil-cement with Sa = 4.24% higher than the soil-cement with Sa = 10.8%. Compression index and swelling index in oedometer test of specimen at 7 days curing time were almost unchanged. The relationship between the shear strength with the curing time and the shear strength, unconfined compressive strength with the curing time and module E50 also given through this investigation. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các giải pháp xử lý nền bằng đất trộn xi măng trong phương pháp ổn định toàn khối (trộn nông) đã đạt nhiều ứng dụng tốt cho việc xử lý lún nền đường, đê, đập. Phương TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 353 pháp này làm gia tăng khả năng chịu tải của đất và rút ngắn thời gian thi công. Do đó công nghệ này rất thích hợp để áp dụng ở Cần Giờ. Tuy nhiên, do khu vực này nằm trên lớp bùn sét yếu hữu cơ dày trên dưới 20 m có chứa hàm lượng muối nhất định, và với việc trộn vữa xi măng vào trong đất thì nồng độ muối có thể gây ảnh hưởng tới sự hình thành cấu trúc và cường độ của đất trộn xi măng. Đất sét yếu chứa muối không chỉ có những đặc tính chung như đất sét yếu thông thường mà còn chứa một hàm lượng cao những ion Mg2+, Cl-, SO42- , là những ion gây nên ảnh hưởng làm giảm cường độ của đất trộn xi măng (Xing et al., 2009 [14]). Theo nghiên cứu của Xing thì ion Cl- ảnh hưởng lên cường độ của đất trộn xi măng trong thời gian ngắn và gây ảnh hưởng lớn nhất, ion Mg2+ có ít ảnh hưởng lên cường độ ban đầu nhưng gây ảnh hưởng lớn về lâu dài và ion SO42- gây ảnh hưởng về lâu dài và ít gây ảnh hưởng hơn so với hai ion Mg2+ và ion Cl-. Việc phân tích đánh giá ảnh hưởng của nồng độ muối lên cường độ của đất trộn xi măng trong khu vực Cần Giờ có thể giúp các nhà thiết kế đánh giá đúng cường độ của đất trộn xi măng theo thời gian, qua đó đưa ra được những thiết kế chính xác. Ngoài ra còn giúp các nhà thiết kế lựa chọn những phụ gia đưa vào trong vữa xi măng phù hợp để có thể đảm bảo cường độ của đất trộn xi măng và tránh sự ăn mòn theo thời gian. 2. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Các mẫu đất được lấy ở độ sâu từ 1,5 đến 3,0 ở khu vực gần biển Cần Giờ và tiến hành thí nghiệm đo độ mặn. Độ mặn lớn nhất tìm được là 8,48 g/l (Sa = 4,24%) ở độ sâu 15,5 m - 16,5 m. Độ mặn của nước biển Cần Giờ đo đươc là 25 g/l , thêm muối ăn vào sao cho độ mặn của nước biển tăng thêm gấp 5 lần, tức là 125 g/l. Đo độ mặn thường xuyên theo thời gian, nếu độ mặn của nước ngâm mẫu giảm chứng tỏ đất đã hấp thu thêm mặn. Độ mặn của nước ngâm mẫu không giảm thêm được nữa đồng nghĩa với đất cũng không mặn thêm được, sau 27 ngày lấy mẫu đất sau khi thí nghiệm đem sấy khô và đo lại độ mặn. Độ mặn đo được là 21,55 g/l. Độ mặn của đất đã tăng lên từ 8,48 g/l (4,24%) thành 21,55 g/l (10,8%) tức là tăng thêm 13,07 g/l ( 6,56%). Đất trước khi đem trộn đã biết trước độ mặn, tính toán lượng muối cần thêm vào để hỗn hợp có độ mặn là 21,55 g/l (10,8%). Các mẫu thí nghiệm với hàm lượng xi măng là 10% được bảo dưỡng trong điều kiện tự nhiên, đến đúng ngày tuổi mang ra làm thí nghiệm cắt trực tiếp và nén đơn. Mẫu thí nghiệm được đem thí nghiệm cắt trực tiếp bằng phương pháp cắt nhanh, ứng với các thời điểm bảo dưỡng lần lượt 3, 7 và 10 ngày. Mẫu có độ mặn tự nhiên 4.24% (gọi mẫu XMD TN). Mẫu có độ mặn lớn nhất 10,8% (gọi mẫu XMD TM). 3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1. Thí nghiệm nén đơn Bảng 1. Tổng hợp lực dính c và góc ma sát trong ϕ từ thí nghiệm cắt trực tiếp Mẫu tự nhiên Mẫu tăng mặn Thời gian bảo dưỡng 3 ngày 7 ngày 10 ngày 3 ngày 7 ngày 10 ngày Lực dính C (kPa) 11,1 13,38 18,67 20,5 26,05 28,12 Góc ma sát φ (độ) 17,09 23,95 33,77 5,85 10,64 16,71 TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 354 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Số liệu trong bảng 1 và hình 1 cho thấy ứng suất cắt τ của mẫu XMD TN và mẫu XMD TM đều tăng theo thời gian bão dưỡng từ 3 ngày tới 10 ngày. nhưng ở mẫu XMD TN tăng mạnh hơn mẫu XMD TM. 0 40 80 120 160 0 20 40 60 80 100 120 140 160 3 Ngày (TN) 7 Ngày (TN) 10 Ngày (TN) 3 Ngày TN 7 Ngày TN 10 Ngày TN Hình 1. Quan hệ ứng suất cắt τ - áp lực nén σ mẫu XMD TN và mẫu XMD TM Sức chống cắt ở cả 2 mẫu đều tăng theo thời gian bảo dưỡng ( 3 – 10 ngày) nhưng ở mẫu XMD TN tăng mạnh hơn mẫu XMD TM. φD/φ10= 0,0695.D + 0,2751 R2 = 0,9664 φD/φ10 = 0,0917.D+ 0,0509 R2 = 0,9776 0 0,5 1 1,5 0 3 6 9 12 Ngày φ D /φ 10 Mẫu tự nhiên Mẫu tăng mặn Hình 2. Biểu đồ quan hệ φD/φ10 theo thời gian bảo dưỡng Hình 2 cho thấy mối quan hệ giữa tỷ số φD/φ10 theo thời gian bảo dưỡng của mẫu XMD TN và mẫu XMD TM, trong đó φ10 là góc ma sát trong ở thời điểm bảo dưỡng ngày thứ 10, φD là góc ma sát tại D ngày bảo dưỡng. 2751,0D695,0 10 D +×= ϕ ϕ (mẫu XMD TN) (1) 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 100 120 140 160 3 Ngày (TM) 7 Ngày (TM) 10 Ngày (TM) 3 Ngày (TM) 7 Ngày (TM) 10 Ngày (TM) σ (kPa) τ (kP a) σ (kPa) τ (kP a) σ (kPa) TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 355 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 10 20 30 40 Mẫu TN Mẫu TM 0509,0D0917,0 10 D +×= ϕ ϕ (mẫu XMD TM ) (2) Dựa vào các công thức (1) và (2) được giới thiệu ở trên, có thể suy ra được góc ma sát trong φ ở thời điểm 10 ngày nếu có được C, φ ở các ngày ít hơn và ngược lại. 3.2. Thí nghiệm nén đơn Mẫu đất trộn xi măng được bảo dưỡng đúng ngày tuổi, sau đó mang ra làm thí nghiệm nén đơn. Kết quả cho thấy cường độ nén đơn của cả hai mẫu đều tăng theo thời gian bảo dưỡng. Cùng với việc tăng dần của thời gian bảo dưỡng, đường quan hệ ứng suất - biến dạng trở nên dốc hơn, mẫu đất trộn xi măng trở nên cứng hơn. Điều này có được là do sự hình thành những khoáng rắn chắc tạo nên cường độ cho mẫu. Bảng 2. Bảng tổng hợp cường độ nén đơn và module đàn hồi theo theo thời gian Thời gian bảo dưỡng (ngày) Cường độ nén đơn qu (kPa) Module E50 (kPa) Mẫu tự nhiên Mẫu tăng mặn Mẫu tự nhiên Mẫu tăng mặn 7 144,26 101,08 9.000 7.800 14 205,98 164,24 9.400 8.000 21 240,38 208,31 11.000 8.700 28 252,8 237,84 11.500 9.500 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 Mẫu TN Mẫu TM Bảng 2 và hình 3 cho thấy cường độ nén đơn qu của mẫu XMD TN và mẫu XMD TM đều tăng mạnh tại thời điểm bảo dưỡng 7 ngày, tại những thời điểm bảo dưỡng sau thì tốc độ tăng chậm lại. Cường độ nén đơn của mẫu XMD TN tại các thời điểm bảo dưỡng khác nhau đều lớn hơn của mẫu XMD TM. Điều này cũng dễ hiểu khi mẫu Ngày q u (kP a) E 5 0 (kP a) Ngày Hình 3. Biểu đổ quan hệ qu theo thời gian mẫu XMD TN và mẫu XMD TM Hình 4. Biểu đổ quan hệ E50 theo thời gian mẫu XMD TN và mẫu XMD TM TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 356 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM E50 = 45,016.qu R2 = 0,7844 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 50 100 150 200 250 XMD TN bị nhiễm mặn thêm đồng nghĩa với việc trong đất hàm lượng ion Cl- tăng thêm đáng kể (dựa theo kết quả thí nghiệm tăng mặn đã trình bày ở phần trên độ mặn tăng từ 4,24% lên thành 10,8%), chính sự gia tăng ion này đã ngăn cản các phản ứng tạo ra CSH và CAH làm giảm cường độ của mẫu đất trộn xi măng. Hình 4 là sự phát triển của module E50 theo thời gian bảo dưỡng, cũng giống như qu module E50 của mẫu XMD TN tại các thời điểm bảo dưỡng khác nhau đều lớn hơn mẫu XMD TM, chính ion Cl- đã làm cho mẫu đất tự nhiên trộn xi măng bị nhiễm mặn “mềm ra”. Từ đó cho thấy sự kết hợp của khoáng CSH, CAH với ettringit cứng hơn so với sự kết hợp của khoáng CSH, CAH và canxi clorualuminat. E50 = 47,51.qu R2 = 0,941 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0 50 100 150 200 250 300 Hình 5 và 6 là quan hệ giữa module đàn hồi và cường độ nén đơn. Module đàn hồi có xu hướng tăng khi cường độ nén đơn tăng. Công thức: E50 = 47,51qu (Mẫu XMD TN) (3) E50 = 45,016qu (Mẫu XMD TM) (4) có thể giúp người thiết kết dự đoán được module đàn hồi E50 khi có cường độ nén đơn qu. 3.3. Thí nghiệm nén cố kết Mẫu đất trộn xi măng được bảo dưỡng đúng ngày tuổi, sau đó mang ra làm thí nghiệm nén cố kết. Kết quả thí nghiệm nén cố kết được khảo sát giá trị chỉ số nén Cc và chỉ số nở Cs. Đối với các mẫu đất trộn xi măng, thí nghiệm nén cố kết được tiến hành ở các thời điểm bảo dưỡng cho thấy giá trị độ lún ở từng cấp tải là nhỏ, và thời gian đạt độ lún ổn định của từng cấp tải là khoảng 8 tiếng. Các mẫu đạt chỉ có thể thí nghiệm tối đa ở thời điểm bảo dưỡng là 10 ngày mới cho các kết quả phù hợp. Các mẫu ở thời điểm 14 ngày hầu như không xác định được các đường quan hệ e-logp hợp lý. Giá trị trong hình 7 cho thấy chỉ số nén Cc, chỉ số nở Cs của hai loại đất trộn xi măng không thay đổi nhiều theo thời gian từ 7 ngày đến 10 ngày tuổi vì cường độ của mẫu đã gần như đạt sau khi trộn ở 7 ngày tuổi. Thêm vào đó, việc tăng mặn cũng không ảnh hưởng nhiều đến các chỉ số này, do quá trình thoát nước trong thí nghiệm nén cố kết hầu như không còn xảy ra vì lượng nước đã sử dụng cho quá trình ninh kết hóa. E 5 0 (kP a) qu (kPa) Hình 5. Quan hệ E50 & qu theo thời gian bảo dưỡng mẫu XMD TN Hình 6. Quan hệ E50 & qu theo thời gian bảo dưỡng mẫu XMD TM E 5 0 (kP a) qu (kPa) TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 357 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0 2 4 6 8 10 12 Ngày Cs Mẫu tự nhiên Mẫu tăng mặn 0,32 0,36 0,4 0,44 0,48 0,52 0 2 4 6 8 10 12 Ngày Cc Mẫu tự nhiên Mẫu tăng mặn Hình 7. Quan hệ Cc và Cs theo thời gian bảo dưỡng 4. KẾT LUẬN - Kết quả thí nghiệm trong phòng nhằm xác định độ nhiễm mặn của các lớp đất được khảo sát ở độ sâu nông từ 1,5 đến 3,0 m tại khu vực Cần Giờ, mẫu đất cố độ mặn tự nhiên lớn nhất là 8,48 g/l (Sa = 4,24%) nằm ở độ sâu 15,5 m – 16,5 m được làm thí nghiệm tăng độ mặn (bằng cách ngâm đất vào dung dịch muối ăn), độ mặn tối đa thu được sau 27 ngày là 21,55 g/l (Sa = 10,8%), tức là độ mặn tăng thêm 13,07g/l ( ∆ Sa 6,56%). - Đất được lấy đem làm thí nghiệm trộn xi măng là bùn sét ở độ sâu 1,5 m đến 3,0m. Sử dụng phương pháp trộn ướt, hàm lượng xi măng là 10%, độ ẩm của hỗn hợp sau khi trộn là 90%. - Tương quan giữa các thông số được thiết lập ở trên là rất quan trọng và cần thiết để xác định thông số đầu vào khi phân tích và thiết kế gia cố nền bằng đất trộn xi măng. - Các giá trị chỉ số nén và chỉ số nở của mẫu đất trộn xi măng không bị ảnh hưởng bởi việc tăng mặn, do thí nghiệm nén cố kết không xét được ảnh hưởng của sự thoát nước trong mẫu. LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu này được tài trợ bởi trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – Tp.HCM trong khuôn khổ đề tài mã số T-KTXD-2016-81. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Firas A. Salman, Dunya K. Sabre and Namir K. S. Al-Saoudi, “Compressibility characteristics of saline soils treated with cement”, International Journal of the Physical Sciences Vol. 6(33), pp. 7614-7628, 9 December, 2011. [2] H. W. Xiao and F. H. Lee, “Curing time effect on behavior of cement treated marine clay”, World academy of science, Engineering and technology 19 2008. [3] Mee-Hoan Ho and Chee-Ming Chan, “Some mechanical properties of cement stabilized Malaysian soft clay”, World academy of science, Engineering and technology 50 2011. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 358 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM [4] Ochepo, J., Stephen O.D. and Masbeye, O., “Effect of water cement ratio on cohension and friction angle of expansive black clay of Gombe State, Nigeria”, Department of Civil Engineering, A. B. U. Zaria, Nigeria. [5] Suksun Horpibulsk, Runglawan Rachan, Apichat Suddeepong and Avirut Chinkulkijniwat, “Strength development in cement admixed Bangkok clay: Laboratory and field investigations”, Soils and foundations Vol. 51, No. 2, 239-251, Apr. 2011. [6] Suksun Horpibulsk, Worawit Phojan, Apichat Suddeepong, Avirut Chinkulkijniwat, Martin D. Liu, “Strength development in blended cement admixed saline clay”, Applied Clay Science 2011. Phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ