Khả năng sử dụng bùn cát biển làm vật liệu đắp nền đường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiện nay, việc nạo vét bùn để đảm bảo luồng hải hải ngày càng trở nên quan trọng. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp việc nhấn chìm bùn nạo vét ngoài biển có thể nảy sinh vấn đề ảnh hưởng đến môi trường biển. Bài viết này trình bày kết quả thí nghiệm bƣớc đầu về cải thiện vật liệu nạo vét làm vật liệu xây dựng như đất đắp nền đường hoặc vật liệu san lấp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khả năng sử dụng bùn cát biển làm vật liệu đắp nền đường

KHẢ NĂNG SỬ DỤNG BÙN CÁT BIỂN LÀM VẬT LIỆU ĐẮP NỀN ĐƯỜNG NGUYỄN CHÂU LÂN*, NGUYỄN VIẾT THANH**, ĐẶNG HỒNG LAM***, PHÍ HỒNG THỊNH****, NGUYỄN ĐỨC HIẾU*****, NGUYỄN HẢI HÀ******, ĐỖ TUẤN NGHĨA******* On the utilization of dredged marine sediments for construction materials. Abstract: Dredging sediments is necessary to maintain navigation in waterways and access to harbours. However, the management of dredged sediments is a worldwide issue. Dumping the sediments at sea is concerned due to its effects on the marine environment. This paper focuses on the utilization of dredged marine sediments for construction material. The dredged marine sediments taken from Hai Phong and Quang Ninh area were modified by adding quicklime, Portland cement, and fly ash. Geotechnical test of the modified dredged marine sediments was conducted for sample after mixing of 7 days and 28 days. Unconfined compression result showed that the strength of the material is higher due to the increment of cement/lime content. In addition, SEM and XRD were also conducted to obtain microstructure and chemical composition of material after mixing with additive. Keywords: marine sediments, lime, cement, XRD, SEM 1. GIỚI THIỆU CHUNG * đề này, đất nạo vét sau khi đƣợc xử lý bằng xi Hiện nay, việc nạo vét bùn để đảm bảo luồng măng sẽ đƣợc sử dụng làm vật liệu xây dựng hải hải ngày càng trở lên quan trọng. Tuy nhiên trong các dự án đòi hỏi cƣờng độ thiết kế thấp, trong nhiều trƣờng hợp việc nhấn chìm bùn nạo dao động từ 100 kPa đến 500 kPa. Đất sét đƣợc vét ngoài biển có thể nảy sinh vấn đề ảnh hƣởng xử lý bằng xi măng đƣợc sử dụng làm vật liệu đến môi trƣờng biển. Để giải quyết những vấn xây dựng, trong việc lấp đầy các đê quai, và trong các kè ngập nƣớc, gần đây còn đƣợc * nghiên cứu làm vật liệu đắp đƣờng. Khoa Công trình - Đại học Giao thông Vận tải Các tính chất vật lý cơ bản của bùn nạo vét 03 Cầu Giấy-Láng Thượng-Đống Đa-Hà Nội Email: nguyenchaulan@utc.edu.vn đƣợc xử lý xi măng đã đƣợc nhiều tác giả ** Khoa Công trình - Đại học Giao thông Vận tải nghiên cứu [3], [4]. Các nghiên cứu chỉ ra rằng Email: vietthanh@utc.edu.vn việc huy động cƣờng độ của đất sét trộn với xi *** Khoa Công trình - Đại học Giao thông Vận tải Email: dang.hong.lam@utc.edu.vn măng chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố, chẳng **** Khoa Công trình - Đại học Giao thông Vận tải hạn nhƣ loại chất kết dính và khối lƣợng chất Email: nguyenchaulan@utc.edu.vn kết dính [2] , các phƣơng pháp trộn phụ gia [5], ***** Khoa Đào tạo Quốc tế - Đại học Giao thông Vận tải các điều kiện bảo dƣỡng [6], [7], và các đặc tính Email: Hieuduc3107@gmail.com ****** Khoa công trình- Đại học Giao thông Vận tải về bản chất của đất [8]. Email: Hieuduc3107@gmail.com Các phƣơng trình thực nghiệm dựa trên các ****** Khoa Công trình - Đại học Thủy Lợi chỉ số khác nhau đã đƣợc đề xuất để dự đoán sự Email: dotuannghia@tlu.edu.vn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 10
phát triển cƣờng độ của đất trộn xi măng. Các Sau đó tiến hành đúc mẫu, mỗi tổ mẫu có 3 chỉ số của các phƣơng trình này bao gồm tỷ lệ viên mẫu. Mẫu đƣợc cho vào khuôn nhựa có khối lƣợng xi măng đối với đất khô ([9], [4]), kích thƣớc 50 mm ×100 mm. Cho hỗn hợp đã khối lƣợng xi măng trên một thể tích đất ƣớt 1 đƣợc trộn đều vào từng khuôn đã đƣợc đậy nắp m3 [2], tỷ lệ nƣớc-xi măng [4], [10], hệ số một đầu. Hỗn hợp trộn cho vào trong khuôn rỗng [11], tổng tỷ lệ nƣớc-xi măng [3], [4], tỷ theo nhiều lớp. Mỗi lớp đƣợc lèn chặt để không lệ ứng suất [12], [13], gia tăng khối lƣợng có lỗ rỗng trong mẫu đất. Bịt kín đầu còn lại của nƣớc bị ràng buộc trên một đơn vị thể tích (kg khuôn bằng bao nylon. Ghi số hiệu mẫu trên /m3 ) hoặc tăng khối lƣợng nƣớc hydrat trên nhãn mẫu và dán nhãn lên mẫu. Số lƣợng mẫu một đơn vị thể tích (kg/m3), độ xốp chia cho đƣợc cho ở Bảng 1. hàm lƣợng xi măng thể tích [14], [15], và số hoạt động của đất sét. Bảng 1: Số lƣợng mẫu thí nghiệm Tuy nhiên ở Việt nam có rất ít nghiên cứu đƣa ra giải pháp cải thiện tính năng của vật liệu Thứ tự Số lƣợng nạo vét. Do vậy bài báo này trình bày kết quả Tỉ lệ trộn (kg/m3) tổ mẫu mẫu thí nghiệm bƣớc đầu về cải thiện vật liệu nạo 1 Vôi 100 6 vét làm vật liệu xây dựng nhƣ đất đắp nền 2 Vôi 150 6 đƣờng hoặc vật liệu san lấp. 3 Vôi 200 6 2. VẬT LIỆU- PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4 Vôi 150 4 2.1. Vật liệu 5 Vôi 200 4 Mẫu nạo vét bùn đƣợc lấy từ khu vực Hải 6 Vôi 250 4 Phòng và Quảng Ninh. Mẫu đƣợc đựng trong 7 Xi măng 50 6 thùng nhựa, bọc kín để tránh thay đổi độ ẩm sau 8 Xi măng 75 6 đó vận chuyển đến phòng thí nghiệm Trƣờng 9 Xi măng 100 6 Đại học Giao thông vận tải để tiến hành. 10 Xi măng 100 4 Sau đó các mẫu bùn sẽ đƣợc thí nghiệm các 11 Xi măng 150 4 chỉ tiêu cơ lý cơ bản và cấu trúc vi mô. 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu Xi măng+ 100; 12 3 a. Phƣơng pháp chế tạo mẫu tro bay 150 - Cân khối lƣợng bùn nạo vét, chất kết dính (xi măng, vôi). Dùng máy trộn trộn đều bùn nạo b. Phƣơng pháp thí nghiệm vét và xi măng, vôi và xi măng kết hợp với tro Trong bài báo này các chỉ tiêu cơ lý của bùn bay trong khoảng 5 phút với tốc độ để đảm bảo nạo vét trƣớc và sau khi trộn với xi măng, vôi, đồng nhất. Sử dụng máy trộn tự động với công tro bay đƣợc thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM và suất 5L, tốc độ quay là 120 vòng/phút. đƣợc liệt kê nhƣ ở Bảng 2.  Mẫu trộn xi măng: hàm lƣợng xi măng: Ngoài ra, nghiên cứu này còn thực hiện phân 50,75,100,150 kg/m3 tích thành phần hóa học cho mẫu đất trƣớc và  Mẫu trộn vôi: hàm lƣợng vôi 100, 150, 200 sau khi trộn thông qua thí nghiệm nhiễu xạ tia X và 250 kg/m3 (XRD - X-ray Diffraction) và thực hiện quan sát  Mẫu trộn xi măng và tro bay: cấu trúc vi mô của mẫu đất thông qua thí 50,75,100kg/m3 nghiệm SEM (SEM – Scanning Electronic - Đúc mẫu Microscopy/kính hiển vi điện tử quét). ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 11
Bảng 2: Các tiêu chuẩn thí nghiệm Bảng 3: Kết quả thí nghiệm chỉ tiêu vật lý theo ASTM Khố i Giới Tiêu chuẩn Giới lƣợng Tên thí nghiệm Độ hạn áp dụng hạn Tỷ thể TT ẩm dẻo Độ ẩm ASTM D 2216 chảy trọ ng tích tự W (%) WP Trọng lƣợng thể tích ASTM D 2937-00 WL (%) nhiên Phân tích thành phần hạt Máy phân tích (%) g/cm3 của hãng Horiba 1 (Quảng 75 25,6 41,6 2,56 1,33 (Nhật bản) Ninh) 7 Chỉ tiêu Atterberg ASTM D 4318 2 (Hải 39,7 28,0 17,14 2,6 1,4 Thí nghiệm nén nở hông ASTM D 2166-91 Phòng) 2 3. KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 3.1. Kết quả thí nghiệm cơ lý 3.2. Kết quả thí nghiệm nén nở hông Hình 1. Đường cong phân bố cỡ hạt mẫu bùn Quảng Ninh Hình 3. Thí nghiệm nén nở hông Bảng 4. Kết quả thí nghiệm nén nở ngang Số Thàn Khố i qu hiệu h lƣợng (kPa), 7 qu (kPa), mẫu phần (kg/m )3 ngày 28 ngày 1 Xi 12,17 17,17 Hình 2. Đường cong phân bố cỡ hạt mẫu bùn 2 mă n 50 18,35 18,35 Hải Phòng. g 3 150,2 160,48 4 75 148,02 168,04 Kết quả phân tích thành phần hạt của mẫu bùn đƣợc chỉ ra ở Hình 1 và Hình 2. Các thông 5 160,3 321,25 số cơ bản nhƣ độ ẩm, giới hạn chảy, giới hạn dẻo đƣợc cho ở Bảng 3 bên dƣới: 6 100 180,4 259,10 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 12
Số Thàn Khố i qu hiệu h lƣợng (kPa), 7 qu (kPa), mẫu phần (kg/m3) ngày 28 ngày 7 Vôi 4,5 5,8 8 4,2 5,90 9 4,3 5,87 10 100 4,0 5,8 Hình 4a. Mẫu bùn+xi măng (50 kg/m3) 11 5,0 6,0 12 5,1 6,1 13 150 5,2 6,2 14 10,21 12,21 15 10,3 12,3 16 200 10,40 13,2 Xi mă n g+tr Hình 4b. Mẫu bùn+xi măng (75 kg/m3) o bay (30% tro 19 bay) 100 47 200 3.3. Kết quả thí nghiệm XRD Thí nghiệm nhiễu xạ tia X đƣợc thực hiện trên mẫu đất bùn trộn 50 kg/m3; 75 kg/m3 và 100 kg/m3 xi măng có kết quả nhƣ trong hình 7. Các phổ nhiễu xạ cho thấy các pha tinh thể chủ Hình 4c. Mẫu bùn+xi măng (100 kg/m3) yếu tồn tại trong các mẫu bùn trộn xi măng gồm Hình 4. Kết quả phân tích các mẫu bằng XRD có: SiO2 và CaO. Hàm lƣợng xi măng càng cao thì đỉnh của SiO2 càng lớn. 3.4. Kết quả thí nghiệm SEM/EDX Sau đó, nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát hình thái và cấu trúc hạt của mẫu bùn sau khi trộn với hàm lƣợng xi măng khác nhau Ảnh SEM ở hình 5 với độ phóng đại 20 000 lần. Hình ảnh quan sát đƣợc trên mẫu bùn trộn với xi măng cũng tƣơng đồng với kết quả đƣợc công bố với nhóm tác giả [3], [4]. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 13
ro 1 Líp bª t«ng asphalt 2 Líp base 3 Líp bïn gia cè xi m¨ng Hình 5a. Mẫu bùn+50 kg/m3 xi măng Hình 6. Mô hình kết cấu mặt đường Kết cấu mặt đƣờng là một kết cấu nhiều lớp. Phần mềm Plaxis là phần mềm phần tử hữu hạn (FEM) đƣợc dùng để tính toán cho nền đất là bùn nạo vét gia cố xi măng. Kết cấu nền-mặt đƣờng đƣợc mô tả nhƣ ở hình vẽ dƣới. Sử dụng mô hình biến dạng trục 2D trong phần mềm Hình 5b. Mẫu bùn+75 kg/m3 xi măng Plaxis để tính toán. Mô hình mặt đƣờng đƣợc giả thiết có lớp bê tông asphalt dày 7 cm, lớp base dày 40 cm, và lớp đất dày 250 cm. Mô hình vật liệu đƣợc cho nhƣ ở bảng dƣới. Khi thiết kế mặt đƣờng, tải trọng đƣợc giả thiết là phân bố đều. Tải trọng trục là 100 kN và áp lực tiếp xúc là 0.7 MPa với diện tích tiếp xúc lốp và mặt đƣờng là 0.134 m2 với bán kính là r0 là 0.152 m. Bảng 5. Tham số đầu vào cho phần tử hữu hạn Hình 5c. Mẫu bùn+100 kg/m3 xi măng Đ ất Asphal Lớp Hình 5: Kết quả phân tích các mẫu bằng SEM Vật liệu (bùn+xi t base măng) 3.5. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn FEM Mô hình vật Elastic Elastic Mohr- tính toán nền đƣờng sử dụng bùn gia cố Nghiên cứu này đề xuất sử dụng lớp bùn gia liệu Coulomb cố xi măng làm vật liệu đắp. Chiều dày 0,07 0,4 2,5 (m) Trọ ng lƣợng 19,6 23,5 17,4 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 14
thể tích Hình 8. Kết quả tính toán chuyển vị ứng với (kN/m3) mô đun đàn hồi Eđất=10 Mpa Mô đun đàn 1400 500 30 hồ i (MPa) Lực dính - - 24 đơn vị (kPa) Góc ma sát - - 30 trong Hệ số 0,35 0,25 0,45 Poisson Ảnh hƣởng của mô đun đàn hồi Xét ảnh hƣởng của mô đun đàn hồi của lớp bùn trộn xi măng đối với chuyển vị của Hình 9. Kết quả tính toán chuyển vị ứng với nền đƣờng mô đun đàn hồi Eđất=5 Mpa Hình 7. Kết quả tính toán chuyển vị ứng với mô Hình 10. Kết quả tính toán chuyển vị ứng đun đàn hồi Eđất=30 Mpa với mô đun đàn hồi Eđất=1 Mpa Bảng 6. Kết quả tính toán mô hình Plaxis 2D Mô đun đàn hồi TT Chuyển vị (mm) (MPa) 1 1 19,12 2 5 7,83 3 10 5,28 4 30 2,77 Từ kết quả trên cho thấy mô đun đàn hồi của ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 15
nền đƣờng ảnh hƣởng đến chuyển vị của mặt 150 m3 /h. Máy trộn có công xuất 30kW. Đầu đƣờng, trƣờng hợp mô đun đàn hồi tăng lên thì vào có 3 ống, 1 ống cho Bùn, 1 ống cho xi chuyển vị giảm đi. Trƣờng hợp mô đun nền măng và ống còn lại cho phụ gia. Việc thi công đƣờng bằng 1 MPa thì chuyển vị khá lớn 19.12 và kiểm tra chất lƣợng có thể dùng phƣơng mm, ngƣợc lại khi mô đun đàn hồi của đất bằng pháp xuyên, CBR… 30 MPa thì chuyển vị nhỏ (2.77mm). Nhƣ vậy 4. KẾT LUẬN trong quá trình thi công cần đảm bảo mô đun Từ kết quả thí nghiệm và mô phỏng FEM, có đàn hồi nền đất bên dƣới lớn. 3.6. Thảo luận thể rút ra các kết luận sau đây: • Kết quả tính toán cho thấy khi trộn với vôi,  Đối với khu vực trên có thể kiến nghị sử cƣờng độ của bùn sau khi trộn có tăng lên dụng hàm lƣợng xi măng 100 kg/m3 để gia cố nhƣng không nhiều, chƣa đủ để làm vật liệu. hoặc có thể dùng xi măng trộn với tro bay • Đối với mẫu bùn trộn xi măng thì hàm  Phƣơng pháp FEM cho thấy mô đun đàn lƣợng cho giá trị cƣờng độ nén nở hông sau 28 hồi của vật liệu bùn trộn xi măng có ảnh hƣởng ngày thì qu=260-321 kPa, có thể sử dụng làm nhiều đến chuyển vị của mặt đƣờng vật liệu đắp (>75 kPa), kết quả thí nghiệm có sự  Bƣớc đầu nghiên cứu cho thấy có thể sử thống nhất với các nghiên cứu trên thế giới [1], dụng vật liệu bùn cát biển làm vật liệu đắp [16]–[20]. đƣờng. Các nghiên cứu sâu hơn cần đƣợc tiến  Từ kết quả trên cho thấy mô đun đàn hồi hành để có thể áp dụng vào thực tiễn của nền đƣờng ảnh hƣởng đến chuyển vị của LỜI CẢM ƠN mặt đƣờng, trƣờng hợp mô đun đàn hồi tăng lên Bài báo đƣợc hoàn thành từ nguồn tài trợ đề thì chuyển vị giảm đi. 3.7. Áp dụng hiện trƣờng tài cấp Bộ mã số DT194074, 2019. Tác giả xin - Có thể áp dụng phƣơng pháp đơn giản trân trọng cảm ơn. thi công nhƣ sau: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G. Kang, T. Tsuchida, and A. M. R. G. Athapaththu, ―Strength mobilization of cement- treated dredged clay during the early stages of curing,‖ Soils Found., vol. 55, no. 2, pp. 375– 392, 2015. Hình 10. Sơ đồ gia cố ngoài hiện trường [2] S. Seng And H. Tanaka, ―Properties Of Hình 10 trình tự thi công và kiểm tra chất Cement-Treated Soils During Initial Curing lƣợng theo của bùn cát biển cải tạo bằng cách Stages,‖ Soils Found., Vol. 51, no. 5, pp. 775– trộn với xi măng và phụ gia. Theo tiêu chí 784, 2011. cƣờng độ bùn trộn xi măng phải lớn hơn 75kPa [3] S. Horpibulsuk, N. Miura, and T. S. sau 28 ngày. Nagaraj, ―Assessment of strength development Một số công nghệ trên thế giới áp dụng in cement-admixed high water content clays phƣơng pháp gia cƣờng bùn nhƣ của Trung with Abrams‘ law as a basis,‖ Géotechnique, Quốc, Nhật Bản. Các công nghệ này thì có thể vol. 53, no. 4, pp. 439–444, 2003. dùng máy trộn có năng lực trộn khoảng 120- [4] N. Miura, S. Horpibulsuk, And T. S. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 16
Nagaraj, ―Engineering Behavior Of Cement Soils,‖ Soils Found., vol. 46, no. 2, pp. 221– Stabilized Clay At High Water Content,‖ Soils 232, 2006. Found., vol. 41, no. 5, pp. 33–45, 2001. [13] K. Kasama, K. Zen, And K. Iwataki, [5] S. Larsson, M. Rothhämel, and G. Jacks, ―High-Strengthening Of Cement-Treated Clay ―A laboratory study on strength loss in kaolin By Mechanical Dehydration,‖ SOILS Found., surrounding lime-cement columns,‖ Appl. Clay vol. 47, no. 2, pp. 171–184, 2007. Sci., vol. 44, no. 1–2, pp. 116–126, 2009. [14] E. Mengue, H. Mroueh, L. Lancelot, and [6] N. C. Consoli, G. V Rotta, and P. D. M. R. Medjo Eko, ―Physicochemical and Prietto, ―Influence of curing under stress on the consolidation properties of compacted lateritic triaxial response of cemented soils,‖ soil treated with cement,‖ Soils Found., vol. 57, Géotechnique, vol. 50, no. 1, pp. 99–105, 2000. no. 1, pp. 60–79, 2017. [7] M. Suzuki, T. Fujimoto, and T. Taguchi, [15] C. N. Cesar, C. R. Caberlon, F. M. ―Peak and residual strength characteristics of Felipe, and F. Lucas, ―Parameters Controlling cement-treated soil cured under different Tensile and Compressive Strength of consolidation conditions,‖ Soils Found., vol. 54, Artificially Cemented Sand,‖ J. Geotech. no. 4, pp. 687–698, 2014. Geoenvironmental Eng., vol. 136, no. 5, pp. [8] M. Kamon, T. Katsumi, T. Inui, Y. 759–763, May 2010. Ogawa, and S. Araki, ―Hydraulic Performance [16] Y. Huang, C. Dong, C. Zhang, and K. of Soil-Bentonite Mixture Barrier,‖ in 5th ICEG Xu, A dredged material solidification treatment for fill soils in East China: A case history, vol. Environmental Geotechnics: Opportunities, 35, no. 6. 2017. Challenges and Responsibilities for [17] Y. Huang, W. Zhu, X. Qian, N. Zhang, Environmental Geotechnics, pp. 733–740. and X. Zhou, ―Change of mechanical behavior [9] H. Güllü, ―On the viscous behavior of between solidified and remolded solidified cement mixtures with clay, sand, lime and dredged materials,‖ Eng. Geol., vol. 119, no. 3– bottom ash for jet grouting,‖ Constr. Build. 4, pp. 112–119, 2011. Mater., vol. 93, pp. 891–910, 2015. [18] V. Dubois, N. E. Abriak, R. Zentar, and [10] G. Suzuki et al., ―Comprehensive G. Ballivy, ―The use of marine sediments as a evaluation of dioxins and dioxin-like pavement base material,‖ Waste Manag., vol. compounds in surface soils and river sediments 29, no. 2, pp. 774–782, 2009. from e-waste-processing sites in a village in [19] I. Develioglu and H. F. Pulat, northern Vietnam: Heading towards the ―Compressibility behaviour of natural and environmentally sound management of e- stabilized dredged soils in different organic waste,‖ Emerg. Contam., vol. 2, no. 2, pp. 98– matter contents,‖ Constr. Build. Mater., vol. 108, 2016. 228, p. 116787, 2019. [11] L. G. A. and B. D. T., ―Fundamental [20] K. Siham, B. Fabrice, A. N. Edine, and Parameters of Cement-Admixed Clay—New D. Patrick, ―Marine dredged sediments as new Approach,‖ J. Geotech. Geoenvironmental Eng., materials resource for road construction,‖ Waste vol. 130, no. 10, pp. 1042–1050, Oct. 2004. Manag., vol. 28, no. 5, pp. 919–928, 2008. [12] K. Kasama, K. Zen, And K. Iwataki, ―Undrained Shear Strength Of Cement-Treated ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3 - 2020 17