Tổng quan về công nghệ đất trộn xi măng: Cơ chế hình thành và nhân tố ảnh hưởng đến cường độ đất – xi măng

Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014

82

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐẤT TRỘN XI MĂNG:
CƠ CHẾ HÌNH THÀNH VÀ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN CƯỜNG ĐỘ ĐẤT – XI MĂNG
ThS. Lương Thị Bích
Khoa Cầu đường, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung
Tóm tắt: Trên cơ sở thu thập, tổng hợp các kết quả nghiên cứu của nhiều nhà
khoa học trên thế giới về lĩnh vực xử lý nền đất yếu bằng công nghệ đất trộn xi
măng. Bài viết trình bày tổng quan về cơ chế hình thành cũng như những nhân tố
cơ bản ảnh hưởng đến cường độ và ổn định của hỗn hợp xi măng đất. Trên cơ sở
đó làm nền tảng cho những nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng công nghệ cho
những công trình cụ thể tại Việt Nam.
Từ khóa: Đất - xi măng, soilcrete.

1. Đặt vấn đề
Đối với nền móng công trình xây
dựng, đất là môi trường chịu toàn bộ tải
trọng công trình. Tính chất cơ lý của đất
(cường độ, tính biến dạng, tính thấm,
v.v.) có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định,
biến dạng, và hiệu quả khai thác công
trình. Với xã hội ngày càng phát triển,
nhu cầu xây dựng các công trình cầu
đường, bến cảng v.v... ngày càng nhiều
và trong nhiều trường hợp, vị trí công
trình phải xây dựng ở nơi có địa chất
yếu, vì vậy việc gia cố xử lý là cần thiết
trước khi xây dựng công trình. Hiện nay

cũng có rất nhiều giải pháp xử lý đất
yếu, tùy thuộc vào tình hình đất nền,
loại và qui mô công trình, mức độ thuận
lợi, thời gian thi công, kinh tế, môi
trường mà chọn giải pháp cho hợp lý.
Trong đó có một giải pháp đang được
quan tâm ở Việt Nam mà nó đã phát
triển và ứng dụng ở nhiều nước trên thế
giới đó là tận dụng đất tại chỗ trộn với xi
măng gọi là công nghệ đất trộn xi măng.
Mục đích gia cố của công nghệ này là
làm tăng cường độ, khống chế biến

dạng, giảm tính thấm của đất yếu hoặc
để vệ sinh các khu nhiễm độc. Nói
cách khác là làm thay đổi đất, nâng cao
chất lượng của đất bằng cách cứng hóa
tại chỗ.
Công nghệ đất trộn xi măng đã có
rất nhiều các đánh giá tổng hợp được
trình bày trong suốt những thập niên qua
tại các hội nghị, nhiều bài báo nghiên
cứu kết quả đất trộn xi măng bằng thực
nghiệm trong phòng hay hiện trường với
các điều kiện địa chất khác nhau, trong
đó có cả những kết quả đồng thuận và
không đồng thuận của các nhà nghiên
cứu. Do đó, việc nghiên cứu tổng quan
lại, từ đó rút ra được cơ sở lý thuyết áp
dụng phù hợp với điều kiện địa chất

công trình thực tế ở Việt Nam là điều
cần thiết.
2. Cơ chế hình thành cường độ đất xi măng
Xử lý đất yếu bằng đất trộn xi
măng, mục đích chính là dựa vào các
phản ứng hóa học giữa cát pha trong đất
với các thành phần hóa học, khoáng vật
của xi măng theo chiều hướng có lợi làm


Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014

tăng khả năng làm việc, chỉ tiêu cơ lý
của đất.
Trong đất gồm 3 pha: Pha rắn gồm
thành phần khoáng và thành phần hạt
chiếm tỷ lệ lớn trong đất, pha lỏng
chính là nước trong đất gồm có nước
trong hạt khoáng vật, nước liên kết
mặt ngoài và nước tự do chứa trong
các lỗ rỗng, pha khí: nếu các lỗ rỗng
trong đất mà không chứa đầy nước thì
khí chiếm chỗ trong các lỗ rỗng ấy.
Trong đất sét gồm 3 khoáng vật chính:
Ilit, Kaolinít, Montmoriolít. Trong số
đó thì khoáng vật Montmoriolít đóng
vai trò quan trọng nhất trong quá trình
tương tác với các vật chất mới được
đưa từ bên ngoài vào.
Trong xi măng Portland có bốn

thành phần khoáng vật chính, bao gồm
Tricalcium Silicate (C3S) (3CaO.SiO2),
Dicalcium Silicate (C2S) (3CaO.SiO2),
Tricalcium
Aluminate
(C3A)
(3CaO.Al2O3) và chất rắn hòa tan như
Tetracalcium Alumino-Ferrit (C4 A)
(4CaO.Al2O3). Bốn phần tử chính này
quyết định cường độ và các tính chất
khác của ximăng. Khi gặp nước lỗ rỗng
trong đất, lập tức xảy ra phản ứng thủy
hóa giữa các khoáng trong xi măng với
nước tạo các sản phẩm chính là
Hydrated Calcium Silicate (C3SHx,
C3S2Hx), Hydrated Calcium Aluminate
(C3SAx, C3S2Ax) và vôi tôi Ca(OH)2.
Hydrate
calcium-silicate
(C3SHx,
C3S2Hx) sinh ra là chất không tan, tồn tại
ở dạng keo sệt bao phủ các hạt xi măng,
cốt liệu lại với nhau tạo thành kết cấu
khung có cường độ nhất định bao bọc
các hạt đất chưa bị thay thế. Còn sản
phẩm vôi tôi (Ca(OH)2, một phần cũng
có thể kết hợp với các pha Hydrate khác,

83

kết tinh được một phần. Một phần phân
chia ra các ion Ca2+ và (OH)- làm tăng
chỉ số pH của nước lỗ rỗng. Với điều
kiện pH cao, ở nhiệt độ bình thường xảy
ra các phản ứng giữa Ca2+ và puzolan
(SiO2 và Al2O3) có trong khoáng chất bề
mặt hạt sét hoặc vật liệu vô định hình.
Phản ứng này được gọi là phản ứng
pozzolanic, sản phẩm của phản ứng
pozzolanic (CSH, CAH) hóa rắn theo
thời gian bảo dưỡng, tăng cường độ và
độ ổn định đất yếu.
Phản ứng hóa học giữa các thành
phần trong hỗn hợp đất xi măng được
thể hiện trong các phương trình sau:
C3S + H2O →C3S2Hx (hydrate gel)+Ca(OH)2 (1)
Ca(OH)2 → Ca2+ + 2 (OH)-

(2)

Ca2+ + 2 (OH)- + SiO2 (Soil silica) → CSH

(3)

2+

-

Ca + 2(OH) + Al2O3(Soil alumina)→ CAH (4)
Khi pH<12,6 thì xảy ra phản ứng:

C3S2Hx → CSH + Ca(OH)2

(5)

Sự hình thành của CSH chỉ có
ích khi nó được hình thành bởi phản
ứng pozzolanic của vôi và silicat trong
đất, nhưng nó sẽ bất lợi khi CSH được
tạo thành từ sự tiêu hủy C3S2Hx. Vì
những đặc tính độ bền phát sinh của
C3S2Hx thì ưu việt hơn CSH. Như vậy
từ sự phân tích các phương trình phản
ứng hóa học trên, có thể kết luận nguyên
lý làm việc của đất trộn xi măng theo
trình tự như sau: Xi măng sau khi trộn
với đất sẽ sinh ra một loạt các phản ứng
hóa học rồi dần đóng rắn lại: Các phản
ứng hóa học chủ yếu của chúng là:
+ Phản ứng thủy giải và thủy hóa
xi măng
+ Tác dụng của các hạt đất với
các chất thủy hóa của ximăng
+ Tác dụng cácbonát hóa (đóng rắn)


Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014

3. Các nhân tố ảnh hưởng đến cường
độ đất – xi măng (soilcrete)
3.1. Loại xi măng

Sự hình thành cường độ cọc đất
xi măng là dựa vào các phản ứng giữa
các thành phần hóa học của xi măng
với các thành phần khoáng của đất, tạo
ra những sản phẩm có lợi, làm tăng
cường độ, cải thiện các đặc trưng cơ lý
của đất. Như vậy có nghĩa là cường
độ, mức độ cải thiện của đất nền là
phụ thuộc thành phần hóa học của chất
kết dính. Với một điều kiện nhất định,
các loại chất kết dính khác nhau thì
cho kết quả khác nhau. Nhiều nghiên
cứu trên thế giới cho thấy sử dụng xi

84

măng portland (PC) làm chất gia
cường mang lại hiệu quả cao hơn so
với việc sử dụng vôi, tro bay… trong
hầu hết các điều kiện khác nhau.
Saitoh (1988), làm thí nghiệm cho
hai loại xi măng đó là xi măng pooclăng
và xi măng trộn xỉ lò cao loại B cho hai
loại đất sét được lấy ở Cảng Yokohama
và cảng Osaka. Mỗi loại được thí
nghiệm cho ba hàm lượng ximăng
100kg/m 3, 200kg/m 3, 300kg/m 3, cùng
thời gian bảo dưỡng. Kết quả cho thấy
tỷ số qu tc/qu 28 của đất trộn xi măng xỉ
lò cao loại B lớn hơn cho cả hai loại

đất (Hình 1).

Hình 1. Ảnh hưởng của loại xi măng đến cường độ soilcrete
3.2. Hàm lượng xi măng
Ngoài loại xi măng, thì hàm lượng
xi măng cũng quyết định đến cường độ
đất nền sau khi xử lý. Hàm lượng xi
măng tăng thì cường độ soilcrete tăng.
Mối quan hệ giữa cường độ soilcrete và
hàm lượng xi măng thể hiện ở Hình 2.
Tuy nhiên, khi hàm lượng xi măng
vượt quá một giá trị nào đó, cường độ
của soilcrete giảm, hàm lượng xi măng
thêm vào tùy thuộc loại đất và thuộc tính
mỗi loại đất, vì vậy, việc xác định hàm
lượng xi măng tối thiểu cho từng loại đất

gia cố là được yêu cầu để cải thiện
cường độ của đất cần xử lý.

Hình 2. Ảnh hưởng của hàm lượng xi
măng đến cường độ soilcrete


Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014

3.3. Thời gian bảo dưỡng
Qua nghiên cứu của nhiều tác giả
đưa ra kết luận cường độ soilcrete tăng
theo thời gian bảo dưỡng, sự gia tăng

cường độ là do tốc độ của phản ứng
pozzolanic giữa sản phẩm của quá trình
thủy hóa xi măng với các khoáng chất

85

trong đất chậm, kéo dài nên cường độ
của đất nền được gia tăng theo thời gian.
Tuy nhiên, khi thời gian bảo dưỡng đủ
lâu (lớn hơn 4 tháng) thì cường độ
soilcrete hầu như tăng không đáng kể
(Hình 3).

Hình 3. Ảnh hưởng thời gian bảo dưỡng đến cường độ Soilcrete ứng với các hàm
lượng ximăng khác nhau
Michell (1981) đã thiết lập mối
đất, khả năng trao đổi ion, hàm lượng
quan hệ giữa cường độ nén không nở
silicat và aluminat, độ pH của nước
hông với hàm lượng xi măng và thời
trong lỗ rỗng và hàm lượng chất hữu cơ
gian bảo dưỡng theo (6).
có tác động đến tính chất của đất sau khi
qu (t)=q u (t0) + K log (t/t0)
(6)
xử lý.
Nhiều nhà nghiên cứu như Kaki và
Trong đó: qu(t): cường độ nén nở
hông ở t ngày (kPa), qu(t0 ): cường độ
Yang (1991), Tan et al. (2002), Bell

nén nở hông ở t0 ngày (kPa) (to < t), K=
(1993) đã làm thí nghiệm cho ba loại đất
480.C với đất rời và 70.C với đất mịn,
đó là cát, sét và sỏi với hàm lượng xi
C: hàm lượng xi măng (% thể tích). Qua
măng tăng dần kết quả cho thấy đối với
phương trình (6) rõ ràng là cường độ
đất cát trộn xi măng đạt cường độ cao
cọc đất xi măng tăng theo thời gian và
hơn và hao tốn lượng xi măng ít hơn so
tỷ lệ tăng này còn phụ thuộc vào hàm
với đất sét và sỏi, kết quả này thể hiện ở
lượng xi măng, tỷ lệ nước/ xi măng thể
Hình 1. Đất có thành phần hạt sét kích
hiện ở Hình 3.
cỡ nhỏ càng nhiều, diện tích bề mặt tiếp
3.4. Loại đất
xúc lớn, để đạt cường độ yêu cầu thì đỏi
Những tính chất cơ lý của đất nền
hỏi lượng xi măng lớn để liên kết hết với
như cỡ hạt, lượng nước, giới hạn
cát hạt sét.
Atterbergs, các loại khoáng vật trong


Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014

Hình 4. Ảnh hưởng của loại đất đến
cường độ soilcrete
3.5. Độ ẩm

Theo kết quả nghiên cứu của nhiều
tác giả kết luận với một độ ẩm tối ưu thì
cường độ soilcrete là tốt nhất. Nước lỗ
rỗng đóng vai trò là chất tham gia phản
ứng thủy hóa hình thành cường độ sau
khi xử lý và đồng thời là dung môi cho
phản ứng pozzolanic để tăng cường độ
theo thời gian. Vì vậy, để cường độ của
hỗn hợp được phát triển tốt đòi hỏi hàm
lượng nước trong hỗn hợp đất xi măng
phải lớn hơn một giá trị tối thiểu. Nếu
hàm lượng nước quá cao sẽ ảnh hưởng
đến sự hình thành cường độ của hỗn hợp
đất xi măng.

Hình 5. Ảnh hưởng của hàm lượng nước
tới cường độ soilcrete

86

3.6. Độ pH
Độ pH của đất có ảnh hưởng đến
cường độ soilcrete, độ pH cao là một
trong những điều kiện thuận lợi cho
phản ứng pozzolanic xảy ra, để hình
thành cường độ cho soilcrete. Elias et al.
(2001) cho rằng độ pH trong đất phải
lớn hơn 5 thì cường độ soilcrete mới
phát triển.
3.7. Hàm lượng hữu cơ

Hàm lượng hữu cơ trong đất ảnh
hưởng đến cường của soilcrete, hàm
lượng hữu cơ càng cao thì cường độ hỗn
hợp càng giảm.
Đất có hàm lượng hữu cơ cao, và
những nơi mà hàm lượng muối trong đất
lớn, đặc biệt là muối Sunfat, chúng có thể
ngăn cản quá trình Hydrate của xi măng
làm giảm cường độ của đất sau xử lý.
Cơ chế của sự can thiệp hàm lượng
hữu cơ trong việc tăng cường độ
soilcrete được cho như sau:
+ Chất hữu cơ có thể làm thay đổi
thành phần và cấu trúc của sản phẩm
phản ứng pozzolanic (C-S-H), ở dạng
keo để liên kết các hạt đất và cũng có thể
làm thay đổi cả về loại và số lượng của
một số sản phẩm hidrat khác.
+ Chất hữu cơ giữ nước làm hạn
chế lượng nước cho quá trình hidrát hóa.
+ Chất hữu cơ phản ứng với
nhôm silicát và các ion kim loại trong
đất làm cản trở quá trình hidrat hóa.
Trong đất có hàm lượng hữu cơ
cao, cần phải rất thận trọng khi dùng
phương pháp trộn xi măng, khi cần thiết
phải tăng lượng xi măng hoặc phải dùng
các phụ gia đóng rắn nhanh.

Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014

3.8. Ảnh hưởng của điều kiện trộn
Chất lượng, cường độ khối xi
măng đất còn phụ thuộc vào mức độ
đồng đều trong quá trình thi công. Nền
đất của một công trình có thể có nhiều
tầng địa chất khác nhau, vì vậy khi thi
công ngoài việc bơm lượng xi măng
phù hợp cho tầng đất đó còn phải tính
toán chọn thiết bị thi công sao cho hiệu
quả nhất. Mục đích của quá trình trộn
là phân tán chất kết dính vào trong đất
tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình xảy
ra các phản ứng hóa học. Các nhân tố
ảnh hưởng liên quan đến quá trình thi
công bao gồm:
+ Tính lưu biến của đất; hàm
lượng chất kết dính;
+ Áp suất và hàm lượng khí nén;
+ Hình dạng cánh trộn liên quan
đến phân bố xi măng;
+ Số lượng lưỡi trộn;

87

+ Năng lượng trộn, tốc độ rút và
quay của cần trộn;
+ Năng lượng đầm.
4. Kết luận

Loại xi măng có ảnh hưởng đến
cường độ nén của xi măng – đất. Cường
độ của xi măng – đất tăng đáng kể theo
hàm lượng xi măng trong vòng một
tháng tuổi và tiếp tục tăng theo thời gian
với tốc độ chậm hơn. Cùng hàm lượng
xi măng đất cát trộn xi măng cho cường
độ cao hơn so với đất sét. Độ ẩm trong
đất ảnh hưởng đến cường độ xi măng đất, khi vượt quá giá trị độ ẩm tối ưu thì
độ ẩm càng tăng cường độ xi măng - đất
càng giảm. Hàm lượng hữu cơ trong đất
càng cao làm ngăn cản quá trình hydrat
hóa của xi măng, làm giảm cường độ
nén. Khi độ pH > 5, độ pH càng tăng thì
cường độ xi măng - đất càng tăng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A.H.M. Kamruzzaman. 2002. Physico-Chemical and Engineering of cement treated
Singapore marine clay, M.Eng. Thesis, National University of Singapore, Singapore, 184 pp.
[2] S. Bhattacharja and J.I. Bhatty. 2003. Comparative Performanceof Portland
Cement and Lime Stabilization of Moderate to High Plasticity Clay Soils RD125,
Portland Cement Association, Skokie, Illinois, USA, 21 pp.
[3] Coastal Development Institute of Technology (CDIT 2002). 2002. The deep mixing
method: principle, design and construction, Tokyo, Balkema, 123 pp.
[4] B.B.K. Huat, S. Maail, and T.A. Mohamed. 2005. Effect of Chemical Admixtures
on the Engineering Properties of Tropical Peat Soils, American Journal of Applied
Sciences, Vol. 7, pp. 1113-1120.
[5] T.S.Tan, T.L. Goh, and K.Y. Yong. Properties of Singapore Marine Clays
Improved by Cement Mixing, Geotechnical Testing Journal, Vol. 25, No. 4, 12.
[6] J. Jacobson. 2002. Factors Affecting Strength Gain in Lime - Cement Columns and

Development of a Laboratory Testing Procedure, MA. Thesis, the Faculty of the
Virginia Polytechnic Institute and State University, Virginia, 62 pp.
[7] S. Horpibulsuk, N. Miura, and T.S. Nagaraj. 2003. Assessment of strength
development in cement-admixture high water content clays with Abram’s law a basis,
Geotechnique 53, No. 4, pp. 439-444.
[8] M. Janz and S.E. Johansson. 2002. The Function of Different Binding Agents in Deep
Stabilization, Swedish Geotechnical Institute, SE-581 93 Linkoping, Sweden, 47 pp.