Nghiên cứu sử dụng phụ gia nano organosilane và nano polymer kết hợp xi măng gia cố đất sử dụng cho công trình giao thông

2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Sử dụng hai loại đất cho nghiên cứu thực nghiệm trong phòng: Đất sỏi đồi (từ dự án xây dựng đường cao tốc Bắc Giang - Lạng Sơn) và đất á sét (từ dự án trục Nam Hà Tây, TP. Hà Nội). Các mẫu đất được đưa về phòng thí nghiệm, thử nghiệm các đặc tính kỹ thuật phục vụ cho xây dựng công trình đường ô tô. Đất sỏi đồi có chỉ số CBR ở mức độ đầm nén 95% đạt 28,3%, đất á sét có chỉ số CBR ở mức độ đầm nén 95% đạt 4,2%.

Xi măng sử dụng PCB30 Bút Sơn có các chỉ tiêu kỹ thuật đáp ứng yêu cầu TCVN 6260:2009 và TCVN 10379:2014, có cường độ chịu nén đáp ứng yêu cầu không nhỏ hơn 30MPa.

Phụ gia Zycobond là một nhũ tương copolyme acrylic với tuổi thọ trên 10 năm để liên kết các hạt đất, được sản xuất bởi Zydex Industries (Ấn Độ). Zycobond tăng khả năng chống nước và chống lại nước xâm nhập của đất đầm chặt. Các đặc tính của Zycobond được sử dụng trong thực nghiệm này được thể hiện trong Bảng 2.1. Hình ảnh mẫu Zycobond sử dụng được thể hiện trong Hình 2.1a.

Phụ gia Terrasil công nghệ nano dựa trên 100% organosilane, tan trong nước, bền cực tím và ổn định nhiệt, biến đổi đất phản ứng để chống thấm cho đất. Phụ gia Terrasil được sản xuất bởi Zydex Industries (Ấn Độ), ở dạng lỏng cô đặc và được trộn với nước theo tỷ lệ quy định trước khi trộn với đất. Các đặc tính của Terrasil được sử dụng trong thực nghiệm này được thể hiện trong Bảng 2.2. Hình ảnh mẫu Terrasil sử dụng được thể hiện trong Hình 2.1b.
Đất được thử nghiệm chỉ tiêu CBR theo 22TCN332:2006 với thông số đầm chặt từ kết quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn theo 22TCN333:2006. Thử nghiệm hệ số thấm mẫu đất gia cố phụ gia nano theo TCVN 8723:2012, hệ số trương nở tự do FSI theo Tiêu chuẩn Ấn Độ IS 2720. Cường độ chịu nén của mẫu đất gia cố thử nghiệm theo ASTM D1633, mô-đun đàn hồi thử nghiệm theo TCVN 9843:2013, cường độ ép chẻ của mẫu được thử nghiệm theo TCVN 8862:2011.

3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của Terrasil và Zycobond đến các đặc tính của đất gia cố

Để đánh giá hiệu quả cải tạo đất của phụ gia Terrasil và Zycobond, tiến hành thử nghiệm đánh giá một số đặc tính của đất đầm chặt có sử dụng kết hợp phụ gia Terrasil và Zycobond. Về mặt cơ chế, phụ gia Terrasil là các organosilane với cấu trúc phân tử phức hợp, một phần là các silane, một phần là các gốc hữu cơ bão hòa. Khi trộn cùng đất, các nano organosilane của Terrasil sẽ tiếp cận với bề mặt các hạt đất, liên kết với nhóm silane ưa nước có trên bề mặt các hạt sét, tạo thành lớp màng alkyl siloxane kỵ nước, cách nước, ngăn cản quá trình nước xâm nhập làm trương nở các hạt sét, dẫn đến suy giảm tính dính bám và khả năng chịu lực của đất. Zycobond nhờ các hạt acrylic copolymer ở kích thước nano khi được trộn tương tác đều với các hạt đất, gia cường rời rạc cấu trúc đất bằng các phần tử nano có tính đàn hồi cao, qua đó cải thiện tính chất của đất. Theo khuyến cáo của nhà sản xuất, phụ gia Terrasil và Zycobond được sử dụng kết hợp với tỷ lệ phụ gia 1:1. Phụ gia được pha vào nước sử dụng trong công tác đầm nén đất. Hàm lượng hỗn hợp phụ gia pha vào nước ở mức: 0,6 kg/m³, 0,8 kg/m³, 1,0 kg/m³ và và 1,2 kg/m³.
Kết quả thử nghiệm chỉ tiêu CBR của các mẫu đất có sử dụng phụ gia Terrasil và Zycobond được thể hiện trong Bảng 3.1. Kết quả nghiên cứu cho thấy, phụ gia phức hợp (Terrasil: Zycobond = 1:1) với các hàm lượng từ 0,6 đến 1,2 kg/m3, chỉ tiêu CBR của đất đều được cải thiện rõ rệt đối với cả hai loại đất nghiên cứu. Chỉ tiêu CBR tăng từ 70% đến 120% so với ban đầu (với đất á sét), tăng từ 20% đến 74% với đất sỏi đồi.

Hiệu quả cải thiện được giải thích bởi khả năng cách nước các hạt sét trong đất, từ đó giảm sự trương nở của mẫu đất khi ngâm bão hòa, giảm sự suy giảm khả năng chịu lực, nâng cao chỉ số CBR của đất. Ngoài ra, sự gia cường rời rạc của các phần tử nano trong Zycobond cũng làm tăng cường sự dính bám, chịu lực của mẫu đất. Hiệu quả cải thiện CBR của phụ gia với đất á sét vượt trội so với đất sỏi đồi được giải thích ở hiệu quả cải thiện tính trương nở của các hạt sét, có trong đất á sét nhiều hơn so với đất sỏi đồi. Hàm lượng thích hợp sử dụng cho cải thiện CBR của đất là 0,6 đến 0,8 kg/m³, tương đương với liều lượng 0,6kg Terrasil và 0,6kg Zycobond hòa tan trong 1.000 lít nước. Ở các hàm lượng cao hơn, hiệu quả cải thiện CBR vẫn có, tuy nhiên không cao hơn và làm phát sinh chi phí phụ gia.

Thử nghiệm khả năng chống thấm của đất gia cố phụ gia Terrasil + Zycobond với các hàm lượng từ 0,6 đến 1,2 kg/m³ với hai loại đất nghiên cứu được thực hiện theo TCVN 8723:2012. Mẫu được chế bị bằng phương pháp đầm nén tiêu chuẩn, sấy khô nhanh bằng đèn chiếu halogen và thử nghiệm thấm với thiết bị của phòng thí nghiệm Trường Đại học Công nghệ GTVT (Hình 3.1). Kết quả thử nghiệm được trình bày trong Bảng 3.2.
 
Khả năng thấm của các mẫu đất sử dụng phụ gia Terrasil + Zycobond được cải thiện rõ rệt ngay với hàm lượng phụ gia 0,6 kg/m³. Với đất á sét, hệ số thấm với hàm lượng phụ gia 0,6 kg/m³ giảm gần 4 lần, đất sỏi đổi giảm gần 8 lần. Ở các hàm lượng phụ gia cao hơn, hệ số thấm tiếp tục được cải thiện, tuy nhiên không rõ rệt như ở mức 0,6 kg/m³ so với không sử dụng phụ gia.
Mức độ trương nở tự do của đất sử dụng phụ gia Terrasil được tiến thành theo Tiêu chuẩn IS 2720-40. Lấy 10g mẫu đất (đã lọt qua sàng 425 micron) phơi khô dưới ánh sáng đèn halogen trong 3 ngày, sau đó cho vào trong ống đong thủy tinh dung tích 100 ml để kiểm tra độ trương nở tự do của đất (FSI) với hàm lượng phụ gia sử dụng 0,6 kg/m³ (Hình 3.2). Kết quả thử nghiệm được trình bày trong Bảng 3.3. Không quan sát thấy sự trương nở trong đất được xử lý bằng phụ gia Terrasil (Hình 3.2). Như vậy, phụ gia Terrasil có hiệu quả trong kiểm soát sự trương nở của đất trong điều kiện ẩm ướt. Kết quả thử nghiệm cho thấy, với hàm lượng phụ gia 0,6 kg/m³, đất không còn sự trương nở tự do. Độ trương nở tự do đặc biệt quan trọng đối với nền đường ở khu vực chịu tác dụng của nhiều nguồn ẩm hoặc các vùng khí hậu băng giá, khi trương nở làm xuất hiện ứng suất trong nền đường, dẫn đến biến dạng mặt đường.
3.2. Nghiên cứu các đặc tính cơ lý của đất gia cố xi măng kết hợp phụ gia Terrasil và Zycobond

Lựa chọn nghiên cứu các đặc tính cơ học (cường độ chịu nén, mô-đun đàn hồi, cường độ ép chẻ) của hai loại đất (sỏi đồi và á sét) gia cố 5% xi măng sử dụng phụ gia phức hợp (Terrasil: Zycobond = 1:1) với hàm lượng pha trong nước 0,6 kg/m³, 0,8 kg/m³ và 1,0 kg/m³. Các mẫu đất được thử nghiệm đầm chặt tiêu chuẩn xác định độ ẩm tối ưu và khối lượng thể tích khô lớn nhất, làm cơ sơ chế bị mẫu đất gia cố sử dụng đầm xoay tương ứng với độ chặt lu lèn K95 (theo yêu cầu của TCVN 10379:2012). Mẫu đất gia cố xi măng + Terrasil + Zycobond được trình bay trong Hình 3.3. Kết quả thử nghiệm giá trị mô-đun đàn hồi sau 28 ngày bảo dưỡng được trình bày trong Bảng 3.4, Bảng 3.5, giá trị cường độ ép chẻ được trình bày trong Bảng 3.6, Bảng 3.7.
Phân tích phương sai đánh giá sự khác biệt có ý nghĩa thống kê mô-đun đàn hồi mẫu đất gia cố theo hàm lượng phụ gia sử dụng. Số mẫu thực hiện mỗi hàm lượng: 6 mẫu, với mức ý nghĩa α = 0,1, giá trị trung bình các chỉ tiêu được xác định với khoảng sai số ±0,672σ. Phân tích phương sai với α = 0,1, độ nhạy nghiên cứu 0,8 (β = 0,2), mức chênh lệch tối thiểu có thể phát hiện: 1,734σ. Thực hiện trên phần mềm MiniTab16, kết quả phân tích phương sai số liệu mô-đun đàn hồi mẫu đất sỏi đồi gia cố 5% xi măng cho thấy, có sự khác biệt ý nghĩa thống kê giữa giá trị trung bình mô-đun đàn hồi 4 mẫu đất (không sử dụng phụ gia, sử dụng 0,6, 0,8 và 1,0 kg/m³ phụ gia), xác suất xảy ra giả thuyết đảo p ≈ 0, nhỏ hơn mức ý nghĩa α = 0,1.

Lựa chọn phương pháp phân tích hậu định Tukey (HSD Tukey’s) với sai số toàn bộ các cặp so sánh 5%. Tính toán Q và so sánh với giá trị Q theo lý thuyết của Tukey cho thấy có sự khác biệt mô-đun đàn hồi mẫu đất sỏi đồi +5% xi măng so với các mẫu đất sử dụng 0,6, 0,8 và 1,0 kg/m³ phụ gia. Không có sự khác biệt mô-đun đàn hồi mẫu đất sỏi đồi +5% xi măng sử dụng 0,6 kg/m³ phụ gia so với mẫu đất gia cố xi măng sử dụng 0,8 kg/m³ phụ gia. Không có sự khác biệt mô-đun đàn hồi mẫu đất sỏi đồi
+5% xi măng sử dụng 0,8 kg/m³ phụ gia so với mẫu đất gia cố xi măng sử dụng 1,0 kg/m³ phụ gia. Tuy nhiên, có sự khác biệt ý nghĩa thống kê giữa mẫu đất sử dụng 0,6 kg/m³ phụ gia, 0,8 1,0 kg/m³ phụ gia và 1,0 kg/m³ phụ gia. Biểu đồ hộp biểu diễn mô-đun đàn hồi các mẫu đất sỏi đồi gia cố xi măng và phụ gia nano được thể hiện trong Hình 3.4a.

Tương tự, phân tích phương sai kết quả thử nghiệm mô-đun đàn hồi mẫu đất á sét gia cố xi măng với các hàm lượng phụ gia nano khác nhau cho thấy, sự khác biệt mô-đun đàn hồi mẫu đất á sét không phụ gia nano so với các mẫu đất á sét sử dụng 0,6, 0,8 và 1.0 kg/m³ phụ gia nano. Có sự khác biệt mô-đun đàn hồi mẫu đất á sét + 5% xi măng sử dụng 0,6 kg/m³ phụ gia so với mẫu đất á sét gia cố sử dụng 0,8 và 1,0 kg/m³ phụ gia. Tuy nhiên, không có sự khác biệt ý nghĩa thống kê giữa mẫu đất á sét sử dụng 0.8 kg/m³ phụ gia và mẫu đất sử dụng 1,0 kg/m³ phụ gia. Biểu đồ hộp biểu diễn mô-đun đàn hồi các mẫu đất á sét gia cố xi măng và phụ gia nano được thể hiện trong Hình 3.4b.
Kết quả thử nghiệm cường độ ép chẻ các mẫu đất gia cố 5% xi măng với các hàm lượng phụ gia khác nhau được trình bày trong Bảng 3.6 và Bảng 3.7. Về mặt số học, với hàm lượng phụ gia tăng từ 0,6 kg/m³ đến 1,0 kg/m³, cường độ ép chẻ các mẫu đất gia cố tăng, cường độ ép chẻ đất sỏi đồi gia cố luôn cao hơn cường độ ép chẻ đất á sét ở tất cả các hàm lượng phụ gia sử dụng (Hình 3.5). Tương quan hồi quy cường độ ép chẻ mẫu đất sỏi đồi gia cố theo hàm lượng phụ gia: R_ec = 0,383·PG + 0,892, hệ số tương quan quyết định R² = 0,868. Tương tự, tương quan hồi quy cường độ ép chẻ mẫu đất á sét gia cố theo hàm lượng phụ gia: R_ec = 0,351·PG + 0,746, hệ số tương quan quyết định R² = 0,811. Hệ số độ dốc (slope) trong phương trình tương quan chỉ ra: Phụ gia làm tăng cường độ ép chẻ của đất á sét gia cố xi măng rõ rệt hơn so với đất sỏi đồi gia cố xi măng.
4. Kết luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy, phụ gia nano-organosilane Terrasil có khả năng cải thiện đất, tạo cho đất khả năng cách nước, chống thấm, giảm độ trương nở của các hạt sét. Phụ gia Zycobond gia cường rời rạc cấu trúc đất bằng các nano copolymer tăng sự dính kết trong các hạt đất, tạo độ đàn hồi cho đất.

Đất gia cố xi măng PCB30, phụ gia Terrasil và Zycobond hình thành cấu trúc lưỡng pha (cứng-đàn hồi) trong đất, cải thiện đáng kể cường độ ép chẻ, giảm độ cứng của đất, giảm mô-đun đàn hồi, giảm nguy cơ xuất hiện nứt.

Đất gia cố 5% xi măng PCB30, 0,8 kg/m3 Terrasil và 0,8 kg/m³ Zycobond có thể đạt đến độ bền cấp II theo phân cấp của TCVN 10379:2014, có thể nghiên cứu sử dụng cho các lớp nền đường ô tô, móng áo đường và mặt đường cấp thấp.