Luận án Tiến sĩ: Gia cố đất bùn sét bằng geopolymer cải tạo nền đất yếu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN THU NGHIÊN CỨU GIA CỐ CẤU TRÚC ĐẤT BÙN SÉT THEO CÔNG NGHỆ GEOPOLYMER ĐỂ CẢI TẠO NỀN ĐẤT YẾU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2021 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN THU NGHIÊN CỨU GIA CỐ CẤU TRÚC ĐẤT BÙN SÉT THEO CÔNG NGHỆ GEOPOLYMER ĐỂ CẢI TẠO NỀN ĐẤT YẾU Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM Mã số chuyên ngành: 62.04 Phản biện độc lập : PGS.

Tô Văn Lận Phản biện độc lập : PGS. Võ Ngọc Hà Phản biện : PGS. Võ Phán Phản biện : PGS. Trương Quang Thành Phản biện : TS.

Lê Văn Pha NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Châu Ngọc Ẩn 2. Nguyễn Văn Chánh LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Trần Văn Thu i TÓM TẮT LUẬN ÁN Công trình xây dựng trên nền đất yếu thường phải đối mặt với nhiều vấn đề như sức chịu tải của nền thấp và độ lún kéo dài theo thời gian. Đây là vấn đề nan giải với các kỹ sư xây dựng và cần có biện pháp khắc phục tận gốc vấn đề. Nguyên nhân của vấn đề trên là do đặc điểm cấu tạo và cấu trúc của đất yếu.

Một trong những loại đất yếu phổ biến là đất bùn sét, chúng được cấu tạo chủ yếu bởi các thành phần hạt sét có đường kính dưới 2m, liên kết khá lỏng lẻo với độ rỗng lớn. Để cải tạo loại đất yếu trên thành loại đất tốt hơn trong lĩnh vực xây dựng: có khả năng tạo ra sức chịu tải lớn với độ lún nhỏ, cần có biện pháp thay đổi làm cho cấu trúc của đất trở nên đặc chắc hơn, liên kết giữa các hạt chặt chẽ hơn. Giải pháp hiện đang được thực hiện rộng rãi để đạt được mục tiêu này là sử dụng chất liên kết là xi măng để trộn với đất yếu. Phương pháp cọc đất trộn xi măng là điển hình cho giải pháp trên, đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế xây dựng.

Gần đây công nghệ vật liệu chất kết dính có tiến bộ vượt bậc, ngoài chất kết dính là xi măng pooc lăng được sử dụng phổ biến trong xây dựng, người ta còn phát triển một loại chất kết dính mới, được mệnh danh là bê tông của thế kỷ 21 đó chính là chất kết dính dựa trên nền tảng công nghệ geopolymer. Cơ sở khoa học của công nghệ này là dựa trên phản ứng của các vật liệu aluminosilicate trong môi trường kiềm để tạo ra sản phẩm có độ bền và cường độ cao. Nguồn vật liệu aluminosilicate ban đầu có nhiều trong tro bay, đất sét.Trong đó, tro bay hay tro xỉ nói chung là một chất phế phẩm của các nhà máy nhiệt điện đốt than đang được xây dựng nhiều ở Việt nam những năm gần đây và là một nguồn ô nhiễm môi trường đáng báo động. Mục tiêu của luận án này là tận dụng nguồn phế thải tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện đốt than để gia cường cấu trúc của đất sét yếu dựa trên công nghệ geopolymer để đạt mục tiêu kép là xử lý nền đất yếu trong công trình xây dựng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do giảm nguồn phế thải tro xỉ.

Đất yếu sau khi được xử lý có thể sử dụng làm nền công trình hoặc sử dụng như một loại vật liệu hữu ích để làm nền đắp, các bộ phận cấu tạo đường ô tô, các bộ phận cấu tạo hữu ích trong xây dựng công trình ngầm. ii Tiến hành thí nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường về sự hình thành và phát triển cường độ của geopolymer tổng hợp từ nguồn tro bay tại nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân và đất sét yếu tại thành phố Hồ Chí Minh trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thường. Cường độ chịu nén nở hông đạt được trong phòng thí nghiệm qu= 48,1 daN/cm2 ứng với hàm lượng tro bay sử dụng là 40% , tỷ lệ dung dịch chất hoạt hóa chiếm 40% khối lượng chất rắn và nồng độ dung dịch NaOH là 10 mol/l. Mô đun đàn hồi đạt được khi đó E50 =3209 daN/cm2.

Cường độ nén nở hông đạt được ngoài hiện trường qu= 34,7 daN/cm2, ứng với hàm lượng tro bay sử dụng là 40%, tỷ lệ dung dịch chất hoạt hóa chiếm 40% khối lượng chất rắn và nồng độ dung dịch NaOH là 10 mol/l. Giá trị cường độ nén lớn nhất thu được lớn gấp 151 lần cường độ chịu nén ban đầu của đất khi chưa xử lý. Mô đun đàn hồi lớn nhất đạt được khi đó E50 = 1663,5 daN/cm2 = 166,3 MPa (trong điều kiện lấy mẫu hiện trường về dưỡng hộ khô). Khi sử dụng các phương tiện thi công sẵn có hiện nay để đào đất, trộn bê tông.

để thi công hỗn hợp geopolymer từ đất yếu tại thành phố Hồ Chí Minh, tro bay Vĩnh Tân, dưỡng hộ trong điều kiện tự nhiên với đất nền xung quanh có độ ẩm cao, mô đun đàn hồi của vật liệu geopolymer có thể đạt được E = 637 daN/cm2 , bằng khoảng 20% giá trị mô đun đàn hồi lớn nhất đạt được trong điều kiện thí nghiệm trong phòng, với cùng cấp phối vật liệu. Kết quả phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn khẳng định việc sử dụng đệm geopolymer, cột geopolymer bằng vật liệu geopolymer tổng hợp từ đất yếu và tro bay góp phần giảm đáng kể độ lún và chuyển vị ngang của nền đắp trên đất yếu. Khi sử dụng vật liệu geopolymer đắp sau lưng tường hầm, làm giảm đáng kể áp lực đất lên tường, đồng thời giảm nội lực lên tường. Với các cơ sở khoa học trình bày trong luận án, kết hợp với kết quả thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm mô hình tại hiện trường cho thấy khả năng ứng dụng giải pháp xử lý nền đất yếu bằng tro bay dựa trên công nghệ geopolymer mang lại hiệu quả cao về kỹ thuật, kinh tế và môi trường, giải quyết triệt để những hiện tượng bất lợi khi xây dựng công trình trên đất yếu, do đã thay đổi được cấu trúc của đất yếu và làm cho đất yếu trở thành đất có các đặc tính xây dựng tốt hơn.

iii ABSTRACT Constructions on soft ground often face many problems such as low load capacity of the foundation and prolonged settlement over time. This is a difficult problem for construction engineers and needs to take measures to overcome the problem. The cause of the above problem is the structural and structural characteristics of soft soil. One of the most popular soft soil types is clayey mud, which is composed mainly of clay particles less than 2m in diameter, loosely linked with large porosity.

To improve the above soft soil to a better soil type in the construction sector: capable of creating a large load capacity with small subsidence, it is necessary to take measures to change the soil structure to become more dense, bonding between particles is tighter. The currently widely implemented solution to achieve this goal is to use a cementitious binder to mix with soft soil. The cement-mixed soil pile method is typical of the above solution, which has been widely used in construction practice. Recently, the technology of adhesive materials has made great progress, in addition to the cementitious Portland cement that is commonly used in construction, a new type of adhesive has been developed, dubbed the calf.

Cardboard of the 21st century is an adhesive based on geopolymer technology. The scientific basis of this technology is based on the reaction of aluminosilicate materials in an alkaline environment to produce products with high strength and durability. The original source of aluminosilicate material was abundant in fly ash, clay, in which fly ash or ash, in general, was a waste product of coal-fired thermal power plants that are being built in many recent years. and is an alarming source of environmental pollution.

The goal of this thesis is to utilize the ash and slag waste of coal-fired thermal power plants to reinforce the structure of soft clay based on geopolymer technology to achieve the dual goal of treating soft ground in the building. building and minimizing environmental pollution due to reducing waste ash and slag. The treated soft soil can be used as a building foundation or used as a useful material for embankment, road construction parts, useful structural parts in public construction. iv Conducted laboratory and field experiments on the formation and intensity development of geopolymer synthesized from fly ash sources at Vinh Tan thermal power plant and soft clay in Ho Chi Minh City under temperature conditions and normal pressure.

The compressive strength is not achieved in the laboratory qu = 48.1 daN/cm2 corresponding to the amount of fly ash used is 40%, the rate of activator solution accounts for 40% of solids weight and concentration of the solution. NaOH solution is 10 mol/l. The obtained elastic modulus is then E50 = 3209 daN/cm2. The compressive strength achieved in the field qu = 34.7 daN/cm2, corresponding to the amount of fly ash used is 40%, the rate of activator solution accounts for 40% of solids weight and concentration of the solution.

NaOH is 10 mol/l. The value of maximum compressive strength obtained is 151 times higher than the initial compressive strength of the soil without treatment. The maximum elastic modulus is then obtained, E50 = 1663. When using existing construction facilities to dig soil, mix concrete.

to construct geopolymer mixture from soft soil in Ho Chi Minh city, Vinh Tan fly ash, curing in natural conditions. for the surrounding soil with high humidity, the elastic modulus of the geopolymer material can reach E = 637 daN/cm2, which is about 20% of the maximum elastic modulus value obtained under laboratory conditions. , with the same material mix. The results of analysis by the finite element method confirm that the use of geotechnical buffers, geotechnical columns made of geopolymer materials synthesized from soft soil and fly ash contributes significantly to reduce settlement and horizontal displacement of the ground.

fill on soft soil. When using geopolymer material placed behind the tunnel wall, it significantly reduces soil pressure on the wall, and at the same time reduces internal force on the wall. With the scientific basis presented in the dissertation, combined with the results of laboratory experiments and field modeling experiments, it shows the applicability of soft soil treatment solution with fly ash based on geopolymer technology. bring high efficiency and completely solve adverse phenomena when constructing structures on soft soil, changing the structure of soft soil and making soft soil become soil with better building properties.

v LỜI CÁM ƠN Luận án được thực hiện với sự hướng dẫn tận tâm và tận tình của PGS TS. Châu Ngọc Ẩn, PGS TS. Nguyễn Văn Chánh. Cùng với sự chỉ dẫn và giúp đỡ của PGS TS.

Nguyễn Minh Tâm, PGS TS.