Nghiên cứu phụ gia để cứng hóa đất bùn nạo vét làm vật liệu san lấp
» Các nhà nghiên cứu ở Viện Thủy công (Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam) đã chế tạo thành công phụ gia để cứng hóa đất bùn nạo vét để sử dụng trong san lấp mặt bằng, góp phần thay thế nguồn cát đang ngày khan hiếm, đồng thời giảm bớt gánh nặng môi trường về đất bùn nạo vét.
Tìm vật liệu thay thế cát
Những con tàu chở nặng đất bùn nạo vét không còn là điều xa lạ với người dân sống ở ven bờ các kênh rạch vùng Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là trước mỗi mùa mưa. Đây là hoạt động cần thiết để đảm bảo cấp nước tưới và nước sinh hoạt trong ngành Thủy lợi, cũng như đảm bảo hệ thống giao thông thủy đối với ngành Giao thông. Với hơn 28.000 km sông và hệ thống tưới tiêu nói chung, hàng năm khối lượng đất bùn nạo vét ở ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long rất lớn, PGS.TS. Ngô Anh Quân, Phó Viện trưởng Viện Thủy công (Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam), nhận xét.
Làm thế nào để xử lý lượng đất bùn sau khi nạo vét là một bài toán nan giải. Việc tìm bãi đổ thải đất bùn nạo vét sao cho đảm bảo về mặt môi trường là vấn đề cực kỳ phức tạp và tốn kém, PGS.TS. Ngô Anh Quân cho biết. Ngay cả những địa phương có nguồn lực mạnh như TP.HCM cũng đang loay hoay với bài toán này. Theo một nghiên cứu của Trung tâm Công nghệ và Quản lý Môi trường vào năm 2020, khối lượng bùn phát sinh từ các dự án nạo vét sông, kênh rạch của thành phố ước tính vào khoảng 2 - 3 triệu m³/năm, trong đó khoảng 20 - 30% được xử lý, tái chế tại Công ty TNHH Sài Gòn Xanh, khoảng 22% (phát sinh từ cảng nội địa) được xử lý đổ thải ngay tại khu vực cảng; khoảng 48 - 58% lượng bùn nạo vét còn lại được đem đi thải bỏ ở những khu vực khác nằm ngoài địa điểm được quy hoạch xử lý.
Tuy nhiên, đổ bỏ không phải là hướng đi duy nhất. Nếu biết cách tận dụng, đất bùn được nạo vét tư các công trình thủy có thể trở thành nguồn tài nguyên giá trị. Đất bùn sau nạo vét có thể tái sử dụng trong rất nhiều trường hợp: để tôn nền đất và nền công trình; làm vật liệu che phủ; bồi đắp bờ biển; tạo lớp đất màu; hoàn thổ phục hồi môi trường, PGS.TS. Ngô Anh Quân cho biết. Tất nhiên, hoạt động tái chế bùn đất phải đảm bảo không gây ô nhiễm bởi bên cạnh việc tạo ra vật liệu xây dựng mới, mục tiêu quan trọng nhất vẫn là giải quyết bài toán môi trường.
Tiềm năng của đất bùn nạo vét càng thể hiện rõ trong bối cảnh khan hiếm cát xây dựng như hiện nay, đặc biệt là ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long - nơi đang triển khai 4 dự án trọng điểm. Bao gồm dự án cao tốc Bắc - Nam phía Đông đoạn Cần Thơ - Cà Mau; dự án cao tốc Châu Đốc - Cần Thơ - Sóc Trăng; dự án cao tốc Cao Lãnh - An Hữu và cao tốc Mỹ An - Cao Lãnh với tổng chiều dài là 355 km, tổng mức đầu tư gần 83.000 tỷ đồng. Tuy nhiên, hầu hết các dự án đều chậm tiến độ do thiếu vật liệu cát đắp nền. Đơn cử như các dự án đi qua thành phố Cần Thơ cần khoảng 2,1 triệu m³ cát để làm nền đường. Hiện nay, các nhà thầu thi công chỉ thu xếp được khoảng 30% khối lượng, số cát còn lại vẫn phải đi tìm ở nhiều nguồn nhưng rất khó khăn, ông Lê Tiến Dũng, Giám đốc Sở Giao thông vận tải TP. Cần Thơ chia sẻ.
Cơ hội để biến ý tưởng tái chế đất bùn thành vật liệu san lấp thay thế cát đã đến với các nhà nghiên cứu ở Viện Thủy công qua đề tài “Nghiên cứu Công nghệ cứng hóa đất bùn nạo vét để sử dụng trong san lấp mặt bằng thay thế cát” (ĐTĐL.CN-33/19) vào năm 2019. Mục tiêu là làm chủ công nghệ về vật liệu, thiết bị cứng hóa đất bùn nạo vét kênh mương để san lấp mặt bằng, đắp đê bao, bờ bao thay thế cát xây dựng, và có tính khả thi trong điều kiện địa hình, địa chất, thiết bị sẵn có ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long, PGS.TS. Ngô Anh Quân cho biết.
Đóng rắn đất bùn nạo vét
Khác với cách dùng những khối bùn ướt nhão để đắp tường của những gian nhà tranh vách đất ngày xưa, muốn dùng đất bùn nạo vét làm vật liệu san lấp, nhóm nghiên cứu phải tìm cách đóng rắn/cứng hóa chúng. Công đoạn cứng hóa đất bùn nhằm nâng cao các chỉ tiêu kỹ thuật của đất bùn để đảm bảo các điều kiện xây dựng công trình, nhóm nghiên cứu giải thích trong một bài viết trên Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam. Cứng hóa bùn gồm 2 vấn đề là cứng hóa và ổn định. Trong đó, cứng hóa là sự cải thiện tính chất vật lý của bùn như cường độ nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo, độ sệt và tăng khả năng chống thấm. Ổn định được hiểu là để xử lý ô nhiễm, bằng việc cố định các chất gây hại trong hỗn hợp bùn cứng hóa cũng như biến đổi các chất gây hại này sang các chất ít gây hại hơn, có độ hòa tan thấp hơn.
Những con tàu chở nặng đất bùn nạo vét không còn là điều xa lạ với người dân sống ở ven bờ các kênh rạch vùng Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là trước mỗi mùa mưa. Đây là hoạt động cần thiết để đảm bảo cấp nước tưới và nước sinh hoạt trong ngành Thủy lợi, cũng như đảm bảo hệ thống giao thông thủy đối với ngành Giao thông. Với hơn 28.000 km sông và hệ thống tưới tiêu nói chung, hàng năm khối lượng đất bùn nạo vét ở ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long rất lớn, PGS.TS. Ngô Anh Quân, Phó Viện trưởng Viện Thủy công (Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam), nhận xét.
Làm thế nào để xử lý lượng đất bùn sau khi nạo vét là một bài toán nan giải. Việc tìm bãi đổ thải đất bùn nạo vét sao cho đảm bảo về mặt môi trường là vấn đề cực kỳ phức tạp và tốn kém, PGS.TS. Ngô Anh Quân cho biết. Ngay cả những địa phương có nguồn lực mạnh như TP.HCM cũng đang loay hoay với bài toán này. Theo một nghiên cứu của Trung tâm Công nghệ và Quản lý Môi trường vào năm 2020, khối lượng bùn phát sinh từ các dự án nạo vét sông, kênh rạch của thành phố ước tính vào khoảng 2 - 3 triệu m³/năm, trong đó khoảng 20 - 30% được xử lý, tái chế tại Công ty TNHH Sài Gòn Xanh, khoảng 22% (phát sinh từ cảng nội địa) được xử lý đổ thải ngay tại khu vực cảng; khoảng 48 - 58% lượng bùn nạo vét còn lại được đem đi thải bỏ ở những khu vực khác nằm ngoài địa điểm được quy hoạch xử lý.
Tuy nhiên, đổ bỏ không phải là hướng đi duy nhất. Nếu biết cách tận dụng, đất bùn được nạo vét tư các công trình thủy có thể trở thành nguồn tài nguyên giá trị. Đất bùn sau nạo vét có thể tái sử dụng trong rất nhiều trường hợp: để tôn nền đất và nền công trình; làm vật liệu che phủ; bồi đắp bờ biển; tạo lớp đất màu; hoàn thổ phục hồi môi trường, PGS.TS. Ngô Anh Quân cho biết. Tất nhiên, hoạt động tái chế bùn đất phải đảm bảo không gây ô nhiễm bởi bên cạnh việc tạo ra vật liệu xây dựng mới, mục tiêu quan trọng nhất vẫn là giải quyết bài toán môi trường.
Tiềm năng của đất bùn nạo vét càng thể hiện rõ trong bối cảnh khan hiếm cát xây dựng như hiện nay, đặc biệt là ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long - nơi đang triển khai 4 dự án trọng điểm. Bao gồm dự án cao tốc Bắc - Nam phía Đông đoạn Cần Thơ - Cà Mau; dự án cao tốc Châu Đốc - Cần Thơ - Sóc Trăng; dự án cao tốc Cao Lãnh - An Hữu và cao tốc Mỹ An - Cao Lãnh với tổng chiều dài là 355 km, tổng mức đầu tư gần 83.000 tỷ đồng. Tuy nhiên, hầu hết các dự án đều chậm tiến độ do thiếu vật liệu cát đắp nền. Đơn cử như các dự án đi qua thành phố Cần Thơ cần khoảng 2,1 triệu m³ cát để làm nền đường. Hiện nay, các nhà thầu thi công chỉ thu xếp được khoảng 30% khối lượng, số cát còn lại vẫn phải đi tìm ở nhiều nguồn nhưng rất khó khăn, ông Lê Tiến Dũng, Giám đốc Sở Giao thông vận tải TP. Cần Thơ chia sẻ.
Cơ hội để biến ý tưởng tái chế đất bùn thành vật liệu san lấp thay thế cát đã đến với các nhà nghiên cứu ở Viện Thủy công qua đề tài “Nghiên cứu Công nghệ cứng hóa đất bùn nạo vét để sử dụng trong san lấp mặt bằng thay thế cát” (ĐTĐL.CN-33/19) vào năm 2019. Mục tiêu là làm chủ công nghệ về vật liệu, thiết bị cứng hóa đất bùn nạo vét kênh mương để san lấp mặt bằng, đắp đê bao, bờ bao thay thế cát xây dựng, và có tính khả thi trong điều kiện địa hình, địa chất, thiết bị sẵn có ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long, PGS.TS. Ngô Anh Quân cho biết.
Đóng rắn đất bùn nạo vét
Khác với cách dùng những khối bùn ướt nhão để đắp tường của những gian nhà tranh vách đất ngày xưa, muốn dùng đất bùn nạo vét làm vật liệu san lấp, nhóm nghiên cứu phải tìm cách đóng rắn/cứng hóa chúng. Công đoạn cứng hóa đất bùn nhằm nâng cao các chỉ tiêu kỹ thuật của đất bùn để đảm bảo các điều kiện xây dựng công trình, nhóm nghiên cứu giải thích trong một bài viết trên Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam. Cứng hóa bùn gồm 2 vấn đề là cứng hóa và ổn định. Trong đó, cứng hóa là sự cải thiện tính chất vật lý của bùn như cường độ nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo, độ sệt và tăng khả năng chống thấm. Ổn định được hiểu là để xử lý ô nhiễm, bằng việc cố định các chất gây hại trong hỗn hợp bùn cứng hóa cũng như biến đổi các chất gây hại này sang các chất ít gây hại hơn, có độ hòa tan thấp hơn.
Thử nghiệm các chất kết dính để cứng hóa bùn đất dùng làm vật liệu san lấp mặt bằng ở Cà Mau.
Việc đóng rắn đất bùn để làm vật liệu xây dựng không phải là ý tưởng mới trên thế giới. Từ những năm 1950 - 1960, nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã đưa ra các giải pháp đóng rắn đất bùn. Nhìn chung, có hai phương pháp chính là đóng rắn bằng nhiệt và đóng rắn bằng phương pháp hóa học, sử dụng các chất kết dính hữu cơ hoặc vô cơ, PGS.TS. Ngô Anh Quân cho biết. Mục đích của việc trộn hỗn hợp vật liệu kết dính vào bùn nhằm làm cải thiện cường độ, tính thấm và sức bền bằng cách giảm hệ số rỗng và gắn các hạt đất bùn với nhau. Khi trộn vật liệu kết dính với bùn có 3 phản ứng chính xảy ra, gồm khử nước, trao đổi ion, phản ứng keo hóa. Cường độ của bùn sau khi được trộn sẽ tăng từ từ và chủ yếu là phụ thuộc vào phản ứng keo hóa.
Giữa vô vàn các chất kết dính hữu cơ và vô cơ thường dùng, từ xi măng portland, vôi bột, tro bay, thạch cao, hỗn hợp photpho cũng như nhiều chất kết dính khác đang được thương mại hóa trên thị trường, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn một số chất kết dính vô cơ gồm xi măng, tro bay, xỉ lò cao và phụ gia hóa học (MgO). Việc sử dụng các chất kết dính vô cơ sẽ phù hợp với định hướng của đề tài là không gây ảnh hưởng tới môi trường, đảm bảo tính kinh tế, phù hợp áp dụng trong thực tiễn, bởi vật liệu kết dính vô cơ có giá thành rẻ hơn nhiều so với chất kết dính hữu cơ, PGS.TS. Ngô Anh Quân giải thích. Hơn nữa, các nguồn vật liệu mà nhóm nghiên cứu đều có thể dễ dàng tìm kiếm trong khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, chẳng hạn xi măng PCB40 Hà Tiên ở gần tỉnh Cà Mau, phụ gia khoáng tro bay của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 ở Trà Vinh, còn xỉ lò cao Hòa Phát nghiền mịn (S95) đã được thương mại phổ biến trên thị trường.
Khi phối trộn hỗn hợp các chất kết dính này với đất bùn trong thử nghiệm ở Cà Mau, thoạt nhìn, người ta thấy chẳng mấy khác biệt với công đoạn trộn vật liệu xây dựng thông thường. Tuy nhiên, quá trình đóng rắn chỉ diễn ra hiệu quả khi trộn theo đúng bí quyết mà các nhà nghiên cứu đã tìm ra sau nhiều lần thử nghiệm. Họ phải cân nhắc giữa hàng loạt yếu tố kỹ thuật cũng như kinh tế để đảm bảo tính khả thi cho giải pháp. Chẳng hạn xét theo tiêu chí của đề tài với độ sệt của bùn sau cứng hóa đạt trong khoảng 0.25 - 0.50 thì cần sử dụng đến 10% xi măng để đạt được độ sệt xấp xỉ giá trị này, khi mà bùn ở vùng nước lợ vẫn chưa đạt được chỉ tiêu độ sệt yêu cầu, nhóm nghiên cứu viết trong công bố trên Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng vào năm 2023. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu quyết định sử dụng tỉ lệ xi măng là 6%. Bởi lẽ, việc sử dụng đến 10% xi măng khoảng 147 kg/m³ bùn tự nhiên sẽ làm tăng giá thành chi phí vật liệu cứng hóa. Trong khi đó, việc sử dụng 6% hàm lượng xi măng đã cải thiện độ sệt tương đương với hàm lượng 10%. Hơn nữa, với hàm lượng xi măng này, góc ma sát trong được cải thiện tiệm cận với yêu cầu của đề tài là 11° và lực dính đạt khoảng 27 kPa so với yêu cầu tối thiểu là 32 kPa.
Kết quả thử nghiệm cho thấy, hỗn hợp bùn sau khi cứng hóa bằng giải pháp của nhóm nghiên cứu đáp ứng đủ các điều kiện để làm vật liệu san lấp nền. Cụ thể, chất lượng của hỗn hợp bùn sau cứng hóa đạt yêu cầu tiêu chuẩn TCVN 8217:2009 tương đương với đất trạng thái dẻo cứng, có thể sử dụng thay thế nền đất yếu tại đường giao thông với chiều sâu cần xử lý < 2m, tải trọng giao thông cấp 3, 4. Từ thành công bước đầu ở Cà Mau, nhóm nghiên cứu cho biết việc mở rộng áp dụng ở các địa phương khác có điều kiện tương tự về vật liệu và hạ tầng tổ chức thi công là hoàn toàn khả thi. Tuy nhiên, cần tiến hành các nghiên cứu thiết kế các cấp phối phù hợp với các chỉ tiêu cơ lý, khoáng hóa... của nguồn vật liệu đầu vào.
Dù nhận được sự đánh giá cao từ các chuyên gia trong ngành cả về tính khoa học lẫn tiềm năng ứng dụng song con đường ứng dụng giải pháp này vẫn còn nhiều gian nan. Con đường của các đề tài nghiên cứu khoa học, từ lúc bắt đầu đến khi hoàn thành, chuyển giao trong thực tế là một quá trình dài”, PGS.TS. Ngô Anh Quân nhận xét. Đặc biệt với giải pháp này, muốn áp dụng cho các công trình giao thông sử dụng vốn đầu tư công sẽ không hề đơn giản, bởi liên quan đến hàng loạt vấn đề như tiêu chuẩn, đơn giá, định mức… Chúng tôi đã xây dựng định mức cơ sở, căn cứ theo số lượng vật liệu, giá thành địa của địa phương, cũng có thể xây dựng một đơn giá. Tuy nhiên, để có căn cứ pháp lý của Nhà nước thì sẽ là một bước khá dài, ông chia sẻ.
Kết quả thử nghiệm cho thấy, hỗn hợp bùn sau khi cứng hóa bằng giải pháp của nhóm nghiên cứu đáp ứng đủ các điều kiện để làm vật liệu san lấp nền. Cụ thể, chất lượng của hỗn hợp bùn sau cứng hóa đạt yêu cầu tiêu chuẩn TCVN 8217:2009 tương đương với đất trạng thái dẻo cứng, có thể sử dụng thay thế nền đất yếu tại đường giao thông với chiều sâu cần xử lý < 2m, tải trọng giao thông cấp 3, 4.
ximang.vn (TH)
