Ảnh hưởng của xi măng cường độ, cấu trúc vi mô của vật liệu san lấp từ bùn nạo vét ao hồ (P1)
Nghiên cứu tái chế bùn nạo vét thành vật liệu đắp nền thay thế cho cát tự nhiên đã được một số nước trên Thế giới đầu tư nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế. Tại Việt Nam, kết quả nghiên cứu đặc tính lý, hoá bùn nạo vét có thể tái chế bùn thành vật liệu san lấp từ nguồn xi măng PBC và polymer. Nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thành phần hóa học trong xi măng đến sự phát triển cường độ và hình thành cấu trúc vi mô của vật liệu san lấp (vật liệu VSL), các thí nghiệm đã được tiến hành khảo sát trên các loại xi măng khác nhau để đánh giá sự ảnh hưởng các hợp chất hóa học như: CaO, SO3, Al2O3, đến cường độ của vật liệu VSL.
Trong các thí nghiệm vật liệu chính là bùn Hồ Tây (B), xi măng PCB (X), polymer (P) với tỷ lệ cấp phối B:X:P khác nhau. Các kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ của đất tỷ lệ nghịch với hàm lượng CaO và tỷ lệ thuận với hàm lượng Al2O3 và SO3. Đồng thời, bằng thí nghiệm kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscopy-SEM) đã đánh giá ảnh hưởng của X và P đến sự thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu VSL.
1. Giới thiệu
Hà Nội là nơi có tốc độ xây dựng, phát triển cơ sở hạ tầng nhanh, tập trung nhiều sông ngòi, ao hồ lớn. Hàng năm một khối lượng lớn bùn được tạo ra từ quá trình nạo vét sông ngòi, kênh, rạch. Bùn được đổ trực tiếp tại các bãi chứa với diện tích chiếm chỗ đáng kể, thường được đặt ở khu vực ngoại thành Hà Nội như: Nguyên Khê - Đông Anh, Hà Đông, Văn Điển, Thị trấn Phùng, Sóc Sơn, các bãi chứa đều đã quá tải. Đồng thời chi phí xử lý các vấn đề môi trường sinh thái và hạ tầng kỹ thuật cho các bãi chứa rất lớn. Ngoài ra, một khối lượng không nhỏ được đổ thải bất hợp pháp, gây ô nhiễm, ảnh hưởng nghiêm trọng đến vệ sinh môi trường và cảnh quan thành phố, trở thành vấn đề nhức nhối của xã hội. Mặt khác, với tốc độ phát triển về cơ sở hạ tầng như hiện nay, các hoạt động xây dựng đòi hỏi một lượng vật liệu san lấp lớn, thông thường là cát. Ví dụ như dự án xây dựng tổ hợp ga Ngọc Hồi tại khu vực Thanh Trì, Hà Nội với khối lượng cát san lấp đến gần 5 triệu m³; dự án nhà máy Nhiệt điện Nam Định 1 yêu cầu khối lượng cát san lấp lên đến gần 6 triệu m3 , ở Miền Nam: tổ hợp Nhà máy Nhiệt điện Sông Hậu cũng cần đến hàng triệu m³. Lượng cát này thường được khai thác từ các mỏ cát trong núi hoặc lòng sông đã tác động nghiêm trọng đến điều kiện địa chất, môi trường sinh thái, sạt lở đất và mất an toàn giao thông đường thủy. Hiện nay, vấn đề về môi trường trong thành phố ngày càng được chú trọng, sức ép từ các bãi chứa đã quá tải, nguồn vật liệu san lấp ngày càng hạn chế. Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu VSL từ bùn nạo vét dùng để san lấp công trình, thay thế nguồn cát tự nhiên là một xu thế tất yếu đã và đang được nhiều nước trên Thế giới đầu tư nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn. Tại Việt Nam một số công nghệ tái chế bùn đã được nghiên cứu như: xử lý bùn thải sinh hoạt (bể phốt, cống rãnh...) có hàm lượng hữu cơ cao thành phân bón nông nghiệp [1], hoặc đóng bánh khô để chôn lấp (dự án nhà máy xử lý nước) hoặc tái chế thành gạch nung, tái chế bùn thải công nghiệp thành cát cho cốt liệu bê tông [2].... Tuy nhiên đến thời điểm hiện tại chưa có một giải pháp tổng thể nào được áp dụng rộng rãi, phần lớn là do công nghệ xử lý thường ở qui mô nhỏ, phạm vi ứng dụng hẹp hoặc chi phí quá cao.
1. Giới thiệu
Hà Nội là nơi có tốc độ xây dựng, phát triển cơ sở hạ tầng nhanh, tập trung nhiều sông ngòi, ao hồ lớn. Hàng năm một khối lượng lớn bùn được tạo ra từ quá trình nạo vét sông ngòi, kênh, rạch. Bùn được đổ trực tiếp tại các bãi chứa với diện tích chiếm chỗ đáng kể, thường được đặt ở khu vực ngoại thành Hà Nội như: Nguyên Khê - Đông Anh, Hà Đông, Văn Điển, Thị trấn Phùng, Sóc Sơn, các bãi chứa đều đã quá tải. Đồng thời chi phí xử lý các vấn đề môi trường sinh thái và hạ tầng kỹ thuật cho các bãi chứa rất lớn. Ngoài ra, một khối lượng không nhỏ được đổ thải bất hợp pháp, gây ô nhiễm, ảnh hưởng nghiêm trọng đến vệ sinh môi trường và cảnh quan thành phố, trở thành vấn đề nhức nhối của xã hội. Mặt khác, với tốc độ phát triển về cơ sở hạ tầng như hiện nay, các hoạt động xây dựng đòi hỏi một lượng vật liệu san lấp lớn, thông thường là cát. Ví dụ như dự án xây dựng tổ hợp ga Ngọc Hồi tại khu vực Thanh Trì, Hà Nội với khối lượng cát san lấp đến gần 5 triệu m³; dự án nhà máy Nhiệt điện Nam Định 1 yêu cầu khối lượng cát san lấp lên đến gần 6 triệu m3 , ở Miền Nam: tổ hợp Nhà máy Nhiệt điện Sông Hậu cũng cần đến hàng triệu m³. Lượng cát này thường được khai thác từ các mỏ cát trong núi hoặc lòng sông đã tác động nghiêm trọng đến điều kiện địa chất, môi trường sinh thái, sạt lở đất và mất an toàn giao thông đường thủy. Hiện nay, vấn đề về môi trường trong thành phố ngày càng được chú trọng, sức ép từ các bãi chứa đã quá tải, nguồn vật liệu san lấp ngày càng hạn chế. Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu VSL từ bùn nạo vét dùng để san lấp công trình, thay thế nguồn cát tự nhiên là một xu thế tất yếu đã và đang được nhiều nước trên Thế giới đầu tư nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn. Tại Việt Nam một số công nghệ tái chế bùn đã được nghiên cứu như: xử lý bùn thải sinh hoạt (bể phốt, cống rãnh...) có hàm lượng hữu cơ cao thành phân bón nông nghiệp [1], hoặc đóng bánh khô để chôn lấp (dự án nhà máy xử lý nước) hoặc tái chế thành gạch nung, tái chế bùn thải công nghiệp thành cát cho cốt liệu bê tông [2].... Tuy nhiên đến thời điểm hiện tại chưa có một giải pháp tổng thể nào được áp dụng rộng rãi, phần lớn là do công nghệ xử lý thường ở qui mô nhỏ, phạm vi ứng dụng hẹp hoặc chi phí quá cao.
Đối tượng nghiên cứu của bài viết này là vật liệu san lấp (VSL) tái chế từ bùn không độc hại nạo vét ao/hồ trong thành phố Hà Nội. Do vậy quy trình công nghệ và sản phẩm sau tái chế cũng phải phù hợp với điều kiện Việt Nam như: các ao/hồ nội đô với quy mô nạo vét không lớn, vị trí nạo vét không tập trung, không bố trí được mặt bằng sản xuất tại chỗ với lượng lớn mà phải đưa về các bãi chứa tập trung, nơi đặt sẵn các nhà xưởng sản xuất; phụ gia cho quá trình tái chế là các vật liệu địa phương như xi măng PCB và polymer. Sản phẩm đầu ra là vật liệu VSL có dạng hạt (cát nhân tạo) phục vụ nhu cầu san lấp khi sửa chữa, cải tạo các công trình hạ tầng kỹ thuật trong thành phố (Hình 1).
Hình 1. Các mẫu vật liệu VSL trộn thử trong phòng thí nghiệm và tại hiện trường.
Có rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng tới sự phát triển cường độ của sản phẩm sau tái chế như: ảnh hưởng của chủng loại phụ gia; ảnh hưởng của cấp phối hạt; ảnh hưởng của hàm lượng hợp chất hữu cơ; ảnh hưởng của độ pH; ảnh hưởng của độ ẩm; ảnh hưởng của điều kiện trộn; ảnh hưởng của thời gian bảo dưỡng... Trong đó loại phụ gia xi măng là một yếu tố quan trọng sẽ được thảo luận trong bài báo này, từ đó làm cơ sở lựa chọn loại xi măng địa phương phù hợp trong tái chế bùn thành vật liệu VSL. Xét về mặt đặc tính cơ - lý của đất, bản chất của sự thay đổi các đặc tính kỹ thuật của đất phụ thuộc vào sự thay đổi cấu trúc của nó. Thuật ngữ cấu trúc được sử dụng để chỉ sự sắp xếp hình học của các hạt khác nhau trong một khối vật liệu [3]. Việc tìm hiểu vi cấu trúc của vật liệu VSL theo các nhân tố tác động như hàm lượng xi măng, hàm lượng phụ gia polymer để làm sáng tỏ sự thay đổi đặc tính kỹ thuật của vật liệu VSL là cần thiết. Mục tiêu của bài báo là khảo sát ảnh hưởng của xi măng, polymer đến sự phát triển cường độ và sự hình thành vật liệu VSL. Các mẫu VSL được chế bị bằng cách trộn bùn, xi măng, polymer ở độ ẩm giới hạn dẻo, mẫu sau khi trộn có dạng hạt tuy nhiên vẫn còn mềm dính do chứa nước; để thuận tiện trong quá trình chế bị và bảo quản mẫu, bài báo lựa chọn thí nghiệm nén 1 trục nở hông để khảo sát cường độ của các mẫu VSL ở 28 ngày tuổi; cấu trúc vi mô của mẫu được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Cùng với kết quả thí nghiệm nén nở hông thì các hình ảnh SEM quan sát được sẽ làm rõ hơn tiến trình hình thành liên kết của các sản phẩm (CSH, CAH, CASH) từ quá trình thủy hóa xi măng làm tăng cường độ của đất.
2. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm
2.1. Vật liệu
2.1.1. Bùn sét Hồ Tây
2. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm
2.1. Vật liệu
2.1.1. Bùn sét Hồ Tây
Hình 2. Công tác lấy mẫu bùn Hồ Tây.
Bảng 1. Chỉ tiêu vật lý của mẫu bùn Hồ Tây [4]
Hình 3. Thành phần cấp phối hạt bùn Hồ Tây [4].
Với diện tích rất lớn, công tác lấy mẫu rất khó để mô tả được đặc điểm chung đại diện cho toàn bộ bùn dưới lòng hồ. Nhằm có cái nhìn tổng quan về loại bùn ở Hồ Tây, các mẫu bùn được ký hiệu bởi chữ cái “W” đã được thu thập tại các địa điểm khác nhau. Các mẫu bùn được lấy bằng phương pháp thủ công tại các vị trí khác nhau, độ sâu lấy mẫu từ 0m đến (-1m) tính từ cao trình đáy Hồ (Hình 2). Một số đặc tính vật lý cơ bản của bùn được thể hiện ở Bảng 1 và Hình 3 [4] với hàm lượng hữu cơ nhỏ hơn 15% thuận lợi tái chế [4], [7]; độ ẩm tự nhiên của bùn rất lớn trên 200%, để tái chế hiệu quả cần khống chế độ ẩm trong khoảng [WP; WL], khi chế bị trộn cấp phối tại khoảng độ ẩm WP thì cho khả năng tạo hạt nhanh chóng và phát triển cường độ tốt [4] [5] [6] [7]. Đồng thời phần lớn bùn ao/hồ trong Thành phố Hà Nội là bùn không độc hại, tức là bùn không chứa hàm lượng kim loại nặng vượt ngưỡng cho phép theo quy chuẩn quốc gia QCVN 07:2009/BTNMT, điều này đã được khẳng định trong các báo cáo [4] [5].
2.1.2. Xi măng PCB
Xi măng portland là vật liệu địa phương được sử dụng làm phụ gia trong cải tạo đất [5][6][7][8]. Trong quá trình hydrat hóa xi măng, canxi hydroxit Ca(OH)2 được giải phóng. Sản phẩm hydrat hóa xi măng có độ bền cao, tăng dần theo thời gian, trong khi canxi hydroxit góp phần vào phản ứng pozzolanic. Một số hợp chất hóa học trong xi măng như CaO, SO3, Al2O3 rất quan trọng, có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định của đất [6]. Hiện nay, Việt Nam chủ yếu sử dụng các loại xi măng PCB, gồm PCB30 và PCB40. Bài viết tiến hành khảo sát 9 loại xi măng PCB phổ biến trên thị trường hiện nay, đánh giá sự ảnh hưởng của từng loại xi măng đến sự phát triển cường độ của vật liệu VSL, từ đó lựa chọn loại xi măng phù hợp trong tái chế bùn thành vật liệu VSL.
2.1.3. Polymer
Phụ gia polymer là một sản phẩm của quá trình hóa dầu và là một loại keo tổng hợp ở dạng bột, màu trắng, không mùi, có độ pH trung tính, là một trong những loại vật liệu mới nhằm cải thiện tính năng của các vật liệu truyền thống để tăng cường chất lượng của vật liệu. Có rất nhiều chủng loại polymer khác nhau, mỗi loại có các gốc hóa học riêng để sử dụng cho các mục đích khác nhau. Trong xây dựng, bột polymer được sử dụng khá rộng rãi cho nhiều mục đích như chế tạo vữa xây, vữa trát, keo dán gạch, keo ốp có yêu cầu độ bám dính cao, phụ gia tăng hoạt tính cho dung dịch bentonite trong công tác thi công cọc khoan nhồi, keo lắng cho bùn đất trong khi xử lý nước sạch... bột polymer thương mại thường được đóng bao khối lượng 20 kg/bao. Nhằm cải thiện các đặc tính cơ, lý của vật liệu, các sản phẩm này thường kết hợp với vật liệu vô cơ truyền thống như xi măng, cao lanh, vôi. Công thức (1) trình bày gốc hóa học của một loại polymer tiêu biểu, có hoạt tính dẻo dính và hút nước cao.
2.1.2. Xi măng PCB
Xi măng portland là vật liệu địa phương được sử dụng làm phụ gia trong cải tạo đất [5][6][7][8]. Trong quá trình hydrat hóa xi măng, canxi hydroxit Ca(OH)2 được giải phóng. Sản phẩm hydrat hóa xi măng có độ bền cao, tăng dần theo thời gian, trong khi canxi hydroxit góp phần vào phản ứng pozzolanic. Một số hợp chất hóa học trong xi măng như CaO, SO3, Al2O3 rất quan trọng, có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định của đất [6]. Hiện nay, Việt Nam chủ yếu sử dụng các loại xi măng PCB, gồm PCB30 và PCB40. Bài viết tiến hành khảo sát 9 loại xi măng PCB phổ biến trên thị trường hiện nay, đánh giá sự ảnh hưởng của từng loại xi măng đến sự phát triển cường độ của vật liệu VSL, từ đó lựa chọn loại xi măng phù hợp trong tái chế bùn thành vật liệu VSL.
2.1.3. Polymer
Phụ gia polymer là một sản phẩm của quá trình hóa dầu và là một loại keo tổng hợp ở dạng bột, màu trắng, không mùi, có độ pH trung tính, là một trong những loại vật liệu mới nhằm cải thiện tính năng của các vật liệu truyền thống để tăng cường chất lượng của vật liệu. Có rất nhiều chủng loại polymer khác nhau, mỗi loại có các gốc hóa học riêng để sử dụng cho các mục đích khác nhau. Trong xây dựng, bột polymer được sử dụng khá rộng rãi cho nhiều mục đích như chế tạo vữa xây, vữa trát, keo dán gạch, keo ốp có yêu cầu độ bám dính cao, phụ gia tăng hoạt tính cho dung dịch bentonite trong công tác thi công cọc khoan nhồi, keo lắng cho bùn đất trong khi xử lý nước sạch... bột polymer thương mại thường được đóng bao khối lượng 20 kg/bao. Nhằm cải thiện các đặc tính cơ, lý của vật liệu, các sản phẩm này thường kết hợp với vật liệu vô cơ truyền thống như xi măng, cao lanh, vôi. Công thức (1) trình bày gốc hóa học của một loại polymer tiêu biểu, có hoạt tính dẻo dính và hút nước cao.
Hình 4. Cơ chế hình thành vật liệu dạng hạt từ bùn lỏng bằng polymer.
Cơ chế bùn lỏng thành đất dạng hạt được mô tả tóm tắt trong Hình 4, sau khi bùn sét dạng lỏng với độ ẩm cao được trỗn lẫn với hỗn hợp keo tổng hợp polymer và xi măng. Khi sản phẩm polymer gặp nước, các hạt polymer ở dạng bột mịn sẽ ngậm nước và trở thành chất keo kết dính nhờ đó các hạt sét được dính kết với nhau, trong quá trình trộn các hạt đất mịn từ bùn lỏng sẽ tạo thành các hạt đất rời có kích thước lớn hơn nhiều so với hạt sét. Thời gian hình thành keo dính kết khi hoạt chất polymer gặp nước trong khoảng thời gian 30 giây tới 60 giây. Trong khi đó, khi xi măng gặp nước sẽ diễn ra các phản ứng thủy hóa để hình thành chất kết rắn, thời gian phản ứng thông thường phải sau khi trộn 2 giờ, sau khi xi măng ninh kết và hóa cứng, các hạt đất sẽ đạt được cường độ nhất định.
Hình 5. Mẫu polymer trương nở mạnh sau khi hút nước.
Hình 6. Khả năng trương nở của mẫu polymer.
Trong bài viết này, một loại polymer có tính năng đặc biệt dùng trong xây dựng được sử dụng phổ biến tại Nhật Bản, có độ hút nước mạnh (Hình 5). Tác giả đã sử dụng phương pháp túi để tiến hành thí nghiệm đánh giá khả năng trương nở của mẫu. Kết quả cho thấy mức độ trương nở bão hòa sau 4 giờ khoảng 230 lần (Hình 6).
(Còn nữa)
(Còn nữa)
VLXD.org (TH/ Viện KHCN Xây dựng)
