Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu khả năng ứng dụng gia cố đất lateritic bằng chất kết dính geopolymer tro bay/xỉ lò cao cho mục đích xây dựng đường bộ (16/05/2025)

Chất kết dính geopolymer là một hệ chất kết dính mới được tạo thành từ phản ứng giữa các vật liệu allumino-silicat với kiềm ở nhiệt độ môi trường có đặc tính kết dính như xi măng Portland. Ưu điểm của vật liệu này là vật liệu thành phần có thể sử dụng các phụ phẩm công nghiệp như tro bay, xỉ lò cao, xi thép,… đồng thời quá trình tổng hợp sử dụng ít năng lượng hơn xi măng Portland. Hai đặc điểm này đem lại cho chất kết dính geopolymer tính bền vững, bảo vệ môi trường và ít phát thải khí CO₂ ra môi trường. Gia cố đất lateritic bằng chất kết dính geopolymer là giải pháp kỹ thuật đem lại tác động kép, một mặt giúp cho việc tận dụng được đất tại chỗ để xây dựng và phát triển hệ thống hạ tầng kỹ thuật, mặt khác đó chính là tiêu thụ lượng lớn các phụ phẩm công nghiệp, đem lại một chu trình sống có ích khác cho các loại phụ phẩm này nhằm hướng tới một nền kinh tế tuần hoàn, phát triển xanh và bền vững. Năm 2022, Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải đã tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng gia cố đất lateritic bằng chất kết dính geopolymer tro bay/xỉ lò cao cho mục đích xây dựng đường bộ” do TS. Đào Phúc Lâm làm chủ nhiệm. Đề tài có tính cấp thiết, mang nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Đất lateritic ở vùng Tây Nguyên Việt Nam

Triển khai đề tài, nhóm nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm một số tính chất của đất lateritic bao gồm lập kế hoạch thí nghiệm, nghiên cứu các đặc tính cơ lý của đất lateritic, như độ ẩm, giới hạn chảy, giới hạn dẻo, độ ẩm tự nhiên, thành phần hạt, cấp phối hạt. Tiến hành phân tích tổng quan về phương thức phân loại đất theo hệ thống thống nhất (USCS) hay ASTM D2487 và AASHTO M145. Kết quả nghiên cứu đã xác phân loại được đất lateritic lấy mẫu tại Tỉnh Đắk Nông, Tây Nguyên. Theo đó, đất lateritic thuộc nhóm đất A-2-7 theo phân loại của AASHTO và thuộc nhóm đất SC theo phân loại của USCS. Cả 02 hệ thống phân loại đều có đánh giá thống nhất về loại đất lateritic này. Đất A-2-7 hay là đất SC về bản chất là loại đất cát mịn cấp phối kém có lẫn sét. Loại đất này có thể sử dụng làm vật liệu đất đắp nền đường nhờ vào chỉ số sức chịu tải (CBR) tương đối cao bằng 21%. Xem xét thành phần hóa học cũng như khoáng vật của đất lateritic cho thấy đất lateritic gồm chủ yếu là các hợp chất SiO₂, Al₂O₃ và Fe₂O₃ và các khoáng vật Quartz, Muscovite, Kaolinite, Albite, Gibbstie, Aluminite. Đây đều là khoáng vật tương đối bền với nước theo nghĩa không dễ bị trương nở khi gặp nước. Kết hợp với chỉ số hoạt tính sét a=0,49<1 cho thấy nhận định trên là có cơ sở. Tuy nhiên, với thành phần chính chủ yếu là cát hạt mịn, thông qua thí nghiệm xác định CBR ngâm ở 04 ngày và 14 ngày kết hợp với giá trị giới hạn chảy LL và chỉ số dẻo PI cao, có thể thấy loại đất này rất dễ bị xói mòn, rửa trôi và mất ổn định khi tiếp xúc với nước. Do vậy, mặc dù là đất A-2-7 phù hợp để đắp nền đường nhưng cũng cần phải có biện pháp bảo vệ an toàn khối đắp khi bị nước xâm nhập. Hơn nữa, loại đất này chứa một lượng nhất định khoáng vật vô định hình, là nguyên liệu cho các phản ứng geopolymer. Đây là lý do dẫn đến ý tưởng tận dụng đất lateritic tại chỗ nhằm cải thiện và gia cố đất lateritic bằng chất kết dính geopolymer để xây dựng kết cấu nền áo đường bộ.

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm thiết kế thành phần geopolymer tro bay/xỉ lò cao cho thấy chất kết dính geopolymer là một loại vật liệu được hình thành từ phản ứng giữa các vật liệu allumino silicat với dung dịch kiềm ở nhiệt độ môi trường có đặc tính kế dính như geopolymer Portland. Tùy thuộc vào nguồn vật liệu alumino siliicat mà có các sản phẩm chất kết dính geopolymer tương ứng. Nếu vật liệu đầu vào có ít CaO (<10%) như các loại vật liệu: tro bay loại F, metakaolin, tro trấu, muội silic,… thì sẽ thu được loại geopolymer hàm lượng CaO thấp. Ngược lại, gọi là geopolymer hàm lượng CaO cao nếu vật liệu alumino silicat là: tro bay loại C, xỉ lò cao, xỉ thép,…geopolymer tro bay (loại F)/xỉ lò cao thì được gọi là geopolymer hybrid hay geopolymer lai vì nó tận dụng được cả 2 loại vật liệu CaO thấp và cao. Do có sự tương hỗ, bổ sung giữa 02 loại vật liệu tro bay và xỉ lò cao, nên cơ chế phản ứng và quá trình hình thành cấu trúc, cường độ của geopolymer tro bay/xỉ lò cao trở nên phức tạp hơn khi xuất hiện các gel C-A-S-H,(N,K)-C-A-S-H, một loại gel gần tự như gel C-S-H trong xi măng nhưng giàu Al trong các sản phẩm phản ứng thu được sau quá trình geopolymer hóa. Để đánh giá khả năng gia cố đất lateritic gia cố geopolymer tro bay/xi lò cao làm vật liệu xây dựng kết cấu áo đường ô tô. Tiêu chuẩn cường độ chịu nén nở hông UCS ở 7 ngày tuổi được sử dụng. Nếu giá trị UCS ≥ 1,75 MPa thì đất gia cố có thể được sử dụng vào xây dựng lớp móng dưới và nếu UCS≥ 2,1 MPa thì áp dụng cho lớp móng trên. Các giá trị UCS = [1,75; 2,1] MPa là các giá trị đề xuất của đề tài dựa trên nghiên cứu tổng quan về quy trình gia cố đất ở Mỹ và Việt Nam. Theo tiêu chí này, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn được loại đất gia cố LS60 và LS70 có thể sử dụng để xây dựng kết cấu áo đường ô tô. Riêng đất LS80 phù hợp để làm đất nền thượng hoặc lớp móng dưới.

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về các đặc tính cơ lý của đất gia cố bằng geopolymer tro bay/xỉ lò cao, nhóm đề tài đã rút ra kết luận như sau: Các đặc trưng vật lý như giới hạn chảy LL, giới hạn dẻo PL và chỉ số dẻo PI, độ ẩm tối ưu đều giảm và khối lượng thể tích khô lớn nhất tăng khi tăng hàm lượng geopolymer tro bay/xi lò cao trong hỗn hợp với đất lateritic. Điều này có được là do khi cho geopolymer vào đất lateritic đã thay đổi cấu trúc của hạt đất, giảm diện tích bề mặt riêng theo hướng biến đổi các hạt đất mịn thành các hạt đất thô hơn, giảm khả năng hút nước, giảm tính dẻo cao thành tính dẻo ít hơn, đất dính thành đất hạt rời, thậm chí có thể nghiền nhỏ được. Việc sử dụng geopolymer tro bay/xỉ lò để cải thiện đất lateritic nhằm nâng cao các đặc trưng vật lý của đất và sức chịu tải CBR để trở thành vật liệu đất đắp nền đường có khả năng kháng sự ảnh hưởng tiêu cực của nước, đáp ứng TCVN 9436:2012, hoặc trở thành vật liệu xây dựng kết cấu áo đường khi cải thiện chỉ số CBR đạt được yêu cầu theo quy định TCVN 8857:2011. Hỗn hợp đất gia cố bằng geopolymer với tỷ lệ 70:20:10 và 60:30:10 cho kết quả cường độ nén nở hông, ép chẻ, và mô đun đàn hồi tĩnh và môn đun đàn hồi động lớn hơn đất gia cố bằng 10% xi măng. Các chỉ tiêu này đều lớn hơn giá trị yêu cầu quy định trong TCVN 8858:2022 cho thấy đất lateritic khi gia cố bằng geopolymer tro bay/xỉ lò cao với hàm lượng đủ lớn sẽ hóa cứng và có cường độ đáp ứng được yêu cầu làm lớp móng trong một số trường hợp quy định tại TCVN 8858:2022. Mô đun đàn hồi động của đất lateritic đã được gia cố bằng geopolymer tro bay/xỉ lò cao 01 ngày tuổi có giá trị vào khoảng [149-:-197] MPa. Với các kết quả thí nghiệm đạt được nêu trên, có thể khẳng định bước đầu rằng gia cố đất lateritic lấy tại Đắk Nông, Tây Nguyên bằng chất kết dính geopolymer tro bay/xỉ lò cao với nguồn vật liệu tro bay, xỉ lò cao sản xuất tại Việt Nam là khả thi.

Quy trình gia cố đất lateritic được đề xuất trên cơ sở áp dụng tương tự đối với gia cố đất sét chỉ số dẻo PI < 26% và lý thuyết về quá trình geopolymer hóa. Theo đó, để kích hoạt và duy trì phản ứng geopolymer hóa thì môi trường trong hỗn hợp phải có nồng độ kiềm đủ lớn xác định thông qua độ pH từ đó xác định ra được lượng geopolymer tối thiểu cần cho vào hỗn hợp để duy trì môi trường kiềm. Sau khi xác định được lượng geopolymer tối thiểu, tùy vào mục đích gia cố: có tiêu chí độ bền dài hạn hay không có tiêu chí này để có được phương án gia cố phù hợp. Tuy nhiên, dù mục đích gia cố như nào thì quy trình gia cố cũng bao gồm các bước cơ bản sau: (1) Khảo sát và lấy mẫu đất; (2) Nhận diện và phân loại đất; (3) Thiết kế hỗn hợp đất gia cố theo mục đích gia cố (có hay không độ bền; (4) Đánh giá chất lượng hỗn hợp đất gia cố; (5) Thi công và nghiệm thu. 

Như vậy, việc sử dụng geopolymer tro bay/xỉ lò cao thay thế xi măng trong gia cố đất lateritic có rất nhiều tác dụng, vừa tái sử dụng các phế thải công nghiệp lại vừa tân dụng được nguồn vật liệu tại chỗ, phổ biến ở một số địa phương của Việt Nam. Vì vậy, đề tài có tính cấp thiết, khoa học và thực tiễn.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu dự án tại Trung tâm Thông tin và Truyền thông Hải Phòng./.