Nghiên cứu sử dụng chất kết dính hrb gia cố đất sét pha(edq) phong hoá từ đá granit khu vực huyện sông m•, tỉnh sơn la làm móng đường bộ

Bộ giáo dục và đào tạo
đỗ thế khánh

Trờng đại học mỏ - địa chất
--------------******--------------

đỗ thế khánh

Luận văn thạc sĩ kỹ tht

Nghiªn cøu sư dơng chÊt kÕt dÝnh HRB gia cè ®Êt sÐt
pha (edQ) phong ho¸ tõ ®¸ granit khu vùc huyện Sông
M , tỉnh Sơn La làm móng đờng bộ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hà nội - 2009

Hà nội - 2009



Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học mỏ - địa chất
--------------******--------------

đỗ thế khánh

Nghiên cứu sử dụng chất kết dính HRB gia cố đất sét
pha (edQ) phong hoá từ đá granit khu vực huyện Sông
M , tỉnh Sơn La làm móng đờng bộ

Chuyên ngành: Địa chất công trình
MÃ số: 60.44.65

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Ngời hớng dẫn khoa học
TS. Tô Xuân Vu

Hà nội - 2009



Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu riêng của cá nhân. Các số
liệu và kết quả thực hiện trong luận văn là trung thực và cha từng đợc ai
công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu khoa học nào.
Tác giả luận văn

Đỗ Thế Khánh


1

Mục lục
Trang
Thống kê các ký hiệu

3

Danh mục các bảng

4

Danh mục hình vẽ

5

Danh mục các ảnh

6

Mở đầu

7

Chơng 1: Tổng quan các phơng pháp cải tạo đất bằng chất kết
dính

12

1.1. Khả năng trao đổi ion và ảnh hởng của nó đến tính chất cơ lý
của đất loại sét

12

1.2. Phân loại chất kết dính trong cải tạo đất

23

1.3. Cải tạo đất bằng các chất kết dính truyền thống

27

1.4. Tình hình nghiên cứu cải tạo đất bằng các chất gia cố ở Việt
Nam

31

Chơng 2: Thành phần và tính năng của chất kết dính HRB

36

2.1. Giới thiệu chất kết dính HRB

36

2.2. Thành phần hoá học của chất kết dính HRB

38

2.3. Các chỉ tiêu đặc trng của chât kết dính HRB

43

2.4. Cơ chế gia tăng độ bền của đất khi gia cố bằng chất kết dính

48

Chơng 3: Đánh giá mức độ tăng cao độ bền của ®Êt nghiªn cøu

khi gia cè b»ng chÊt kÕt dÝnh HRB ở điều kiện phòng thí nghiệm

53

3.1. Đặc điểm địa chất công trình của đất sét pha (edQ) phân bố ở
huyện Sông M , tỉnh Sơn La

53

3.2. Xác định thành phần cation trao đổi của đất nghiên cứu khi gia
cố bằng chÊt kÕt dÝnh HRB

58


2

3.3. Xác định độ chặt lớn nhất của đất khi gia cố bằng chất kết dính
HRB

60

3.4. Xác định cờng độ kháng nén một trục nở hông tự do (R n ) của
đất gia cố

62

3.5. Xác định mô đun đàn hồi (Eđh) của đất gia cố

67

3.6. Xác định hệ số chịu tải California (CBR) của đất gia cố

71

Chơng 4: áp dụng thư nghiƯm chÊt kÕt dÝnh HRB gia cè ®Êt sÐt
pha (edQ) phong hoá từ đá granit khu vực huyện Sông MÃ, Sơn
La làm móng đờng bộ

75

4.1. Đặc điểm đoạn đờng thử nghiệm

75

4.2. Phơng pháp tiến hành

76

4.3. Kết quả thí nghiệm kiểm tra chất lợng móng đờng

82

Kết luận và kiến nghị

93

Tài liƯu tham kh¶o

95

3

Thống kê các ký hiệu

Ký hiệu

Đơn vị

W

%

Độ ẩm tự nhiên

WL

%

Độ ẩm giới hạn chảy

Wp

%

Độ ẩm giới hạn dẻo

Wt

%

Độ ẩm tối u

w

g/cm3

Khối lợng thể tích tự nhiên

k

g/cm3

Khối lợng thể tích khô

cmax

g/cm3

Khối lợng thể tích khô lớn nhất

s

g/cm3

Khối lợng riêng

eo

Giải thích

Hệ số rỗng

n

%

Độ lỗ rỗng

G

%

Độ b o hoà

Ip

%

Chỉ số dẻo

Is

Độ sệt



Độ

c

kG/cm2

Lực dính kết đơn vị

a1-2

cm2/kG

Hệ số nén lún

HC

%

Rn

kG/cm2

Cờng độ kháng nén

Eđh

kG/cm2

Mô đun đàn hồi

CBR

%

Góc ma sát trong

Hàm lợng hữu cơ

Hệ số chịu t¶i California


4

Danh mục các bảng
Trang
Bảng 1.1

Phân loại chất kết dính và phơng pháp cải tạo

25

Bảng 2.1

Thành phần hoá học của chất kết dính HRB

42

Bảng 2.2

Kết quả xác định các chỉ tiêu đặc trng của chất HRB

47

Bảng 3.1

Kết quả phân tích thành phần hạt của đất nghiên cứu

54

Bảng 3.2

Kết quả phân tích thành phần khoáng vật của đất nghiên cứu

55

Bảng 3.3

Kết quả phân tích hàm lợng hữu cơ

56

Bảng 3.4

Kết quả phân tích thành phần hoá học của đất nghiên cứu

56

Bảng 3.5

Kết quả phân tích chỉ tiêu cơ lý của đất nghiên cứu

58

Bảng 3.6

Hàm lợng cation trao đổi trong nớc chiết của mẫu chế bị

59

Bảng 3.7

Kết quả thí nghiệm đầm chặt tiêu chuẩn

60

Bảng 3.8.1 Kết quả thí nghiệm Rn ở trạng thái không b o hoà

65

Bảng 3.8.2 Kết quả thí nghiệm Rn ở trạng thái b o hoà

66

Bảng 3.9.1 Kết quả thí nghiệm Eđh ở trạng thái không b o hoà

68

Bảng 3.9.2 Kết quả thí nghiệm Eđh ở trạng thái b o hoà

69

Bảng 3.10

Kết quả thí nghiệm CBR

71

Bảng 4.1

Các chỉ tiêu cơ lý của đất gia cố

78

Bảng 4.2

Các chỉ tiêu cơ lý của cấp phối đá dăm loại II

79

Bảng 4.3

Kết quả thí nghiệm độ chặt hiện trờng

83

Bảng 4.4

Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi hiện trờng

84

Bảng 4.5

Biến đổi Eđh giữa đoạn gia cố HRB 10%, không gia cố và
cấp phối đá dăm

85

Bảng 4.6

Kết quả thí nghiệm CBR hiện trờng

87

Bảng 4.7

Biến đổi CBR giữa đoạn gia cố HRB 10%, không gia cố
và cấp phối đá dăm

88

Bảng 4.8

Kết quả đo Eđh móng đờng sau sử dụng

89

Bảng 4.9

Kết quả đo CBR móng đờng sau sử dông

90

5

Danh mục hình vẽ
Trang
Hình 1.1

Sơ đồ cấu trúc của mixen do hạt phan tán mịn tạo nên

13

Hình 1.2

Sơ đồ lớp điện kép

15

Hình 1.3

Mạng tinh thể của một số khoáng vật sét

18

Hình 1.4

Sơ đồ minh hoạ phơng thức kết dính của chất polime
tổng hợp

30

Hình 3.1

Đờng cong lọt sàng của đất nghiên cứu

54

Hình 3.2

Tơng quan giữa KLTT khô và độ ẩm của các mẫu
thí nghiệm

61

Hình 3.3.1 Sự phát triển Rn theo thời gian ở trạng thái không b o hoà

65

Hình 3.3.2 Sự phát triển Rn theo thời gian ở trạng thái b o hoà

66

Hình 3.4.1 Sự phát triển Eđh theo thời gian ở trạng thái không b o hoà

69

Hình 3.4.2 Sự phát triển Eđh theo thời gian ở trạng thái b o hoà

70

Hình 3.5

Sự phát triển CBR theo thời gian

72

Hình 4.1

Kết cấu đoạn đờng thử nghiệm

77

Hình 4.2

Sự phát triển Eđh theo thời gian của móng gia cố, không gia cố
và cấp phối đá dăm

Hình 4.3

Sự phát triển CBR theo thời gian của móng gia cố, không gia
cố và cấp phối đá dăm

Hình 4.4

87

BiÕn ®ỉi E®h theo thêi gian cđa mãng ®−êng sau quá trình
gia cố và sử dụng

Hình 4.5

84

90

Biến đổi CBR theo thời gian của móng đờng sau quá trình gia
cố và sư dơng

91


6

Danh mục các ảnh
Trang
ảnh 3 .1

Trộn đất với chất kết dính HRB

62

ảnh 3 .2

Ngâm nớc và bảo dỡng mẫu

63

ảnh 3 .3

Tđ d−ìng hé mÉu

63

¶nh 3 .4

ThÝ nghiƯm nÐn mét trơc

64

¶nh 4.1

Tập kết và rải đất vào khuôn đờng

81

ảnh 4.2

Đảo trộn đất với chất kết dính HRB

81

ảnh 4.3

San gạt tạo phẳng vµ lu lÌn

82


7

Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong xây dựng công trình giao thông đờng bộ hiện nay, một vấn đề
rất quan trọng đặt ra là nguồn vật liệu có cấp phối đạt tiêu chuẩn để sử dụng
làm lớp móng đờng. Thực tế có nhiều công trình ở những khu vực không có
khả năng cung cấp vật liệu đáp ứng đợc yêu cầu kỹ thuật cho lớp móng
đờng, mà việc vận chuyển từ nơi khác tới cũng rất khó khăn và không hiệu
quả kinh tế. Để giải quyết vấn đề ®ã, ë n−íc ta ® vµ ®ang sư dơng mét số
biện pháp cải tạo đất bằng chất kết dính vô cơ, chất kết dính hữu cơ, chất phụ
gia tổng hợp và chất cao phân tử tổng hợp. Trong đó, có chất kết dính vô cơ Hydraulic Road Binder (HRB) mới đợc giới thiệu và đa vào sử dụng tại
một số công trình giao thông. Tuy nhiên, hiệu quả việc gia cố, cơ chế hình
thành, gia tăng độ bền của hỗn hợp đất gia cố cha đợc nghiên cứu và kiểm
chứng cụ thể cho đất có nguồn gốc phong hoá.
Theo đặc điểm phân bố, ở khu vực huyện Sông M tỉnh Sơn La, các
thành tạo trầm tích nguồn gốc sờn tàn tích (edQ) phân bố rộng khắp và
thờng nằm ngay trên mặt. Trong các loại đất thuộc thành tạo trên, phổ biến là
sét pha sản phẩm phong hoá chủ yếu từ đá cát bột kết, sét kết và granit. Đất
sét pha phong hoá từ đá cát bột kết và sét kết phân bố rải rác ở các đồi núi
nằm sâu ở phía trong không thuận lợi cho việc khai thác. Đất sét pha phong
hoá từ đá granit phân bố rộng khắp trên bề mặt ven hai bờ Sông M và có bề
dày tơng đối lớn rất thuận lợi cho việc khai thác. Hầu hết các công trình
đờng bộ thuộc khu vực này đều sử dụng đất sét pha phong hoá từ đá granit
làm vật liệu đắp nền còn vật liệu sử dụng làm lớp móng đờng, theo truyền
thống là đá dăm đủ tiêu chuẩn cấp phối phải vận chuyển từ khu vực khác tới,
bởi vì trong khu vực này không có loại đá cứng đạt tiêu chuẩn làm cấp phối đá
dăm. Do đó, đề tài: Nghiên cứu sử dụng chất kết dÝnh HRB gia cè ®Êt sÐt pha


8

(edQ) phong hoá từ đá granit khu vực huyện Sông M , tỉnh Sơn La làm móng
đờng bộ là rất cần thiết trong điều kiện thực tế ở địa phơng.
2. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tợng nghiên cứu là chất kết dính HRB và khả năng gia cố nâng cao
cờng độ của đất sét pha có nguồn gốc sờn tàn tích (edQ) từ đá granit khu
vực huyện Sông M , tỉnh Sơn La.
- Phạm vi nghiên cứu là đất sét pha có nguồn gốc phong hoá (edQ) từ đá
granit khu vực huyện Sông M , tỉnh Sơn La để gia cố làm móng đờng bộ.
3. Mục đích nghiên cứu
Làm rõ khả năng và hiệu quả sử dụng chất kết dính vô cơ HRB để gia
cố đất sét pha (edQ) phong hoá từ đá granit khu vực huyện Sông M , tỉnh Sơn
La làm móng đờng.
4. nhiệm vụ nghiên cứu
Để thực hiện đợc mục đích nêu trên, đề tài cần thực hiện các nhiệm vụ
sau:
-

Làm sáng tỏ đặc tính địa chất công trình của đất phong hoá (edQ) ở khu

vực nghiên cứu;
- Làm rõ tính năng, cơ chế tác dụng của chất HRB trong gia cố đất;
-

Xác định khả năng tăng cao độ bền của đất sét pha (edQ) phong hoá từ

đá granit khu vực huyện Sông M , tØnh S¬n La khi gia cè b»ng chÊt kÕt dính
HRB với các tỷ lệ % khác nhau;
-

Đánh giá chất lợng móng đờng sau khi đợc gia cố tại hiện tr−êng

víi tû lƯ % chÊt kÕt dÝnh HRB ® lùa chọn;
5. nội dung nghiên cứu
Để đạt đợc những nhiệm vụ nh đ nêu ở trên, nội dung nghiên cứu của ®Ị
tµi bao gåm:


9

-

Đặc điểm phân bố, thành phần hạt, các tính chất cơ lý và các tính chất

đối với nớc của đất sét pha (edQ) phong hoá từ đá granit khu vực huyện Sông
M , tỉnh Sơn La;
-

Nghiên cứu thành phần và tính năng của chất HRB, trên cơ sở đó phân

tích làm rõ cơ chế tác dụng của nó;
-

Tiến hành thí nghiệm gia cố đất ở trong phòng thí nghiệm theo tiêu

chuẩn kỹ thuật nghành Giao thông vận tải cũng nh quy trình hớng dẫn của
h ng sản xuất với các tỷ lệ % chất kết dính HRB khác nhau;
-

Tiến hành một số thử nghiệm hiện trờng để đánh giá chất lợng móng

đờng và hiệu quả của phơng pháp gia cố;
6. phơng pháp nghiên cứu
Trong luận văn, sử dụng các phơng pháp nghiên cứu sau:
- Phơng pháp địa chất: Phân tích đặc điểm địa chất công trình của đất sử
dụng gia cố;
-

Phơng pháp thực nghiệm: Thí nghiệm trong phòng và ngoài trời đánh

giá khả năng sử dụng chất gia cố;
-

Phơng pháp xác suất thống kê toán học: Tính toán chỉnh lý kết quả thí

nghiệm để tìm ra giá trị đặc trng;
7. ý nghĩa khoa học và thực tiễn
-

Kết quả nghiên cứu của đề tài đ góp phần làm rõ tính năng tác dụng

của chất gia cố HRB đối với đất sét pha có nguồn gốc phong hoá từ đá granit.
-

Kết quả nghiên cứu là cơ sở định hớng cho các đơn vị thiết kế, thi

công đờng bộ ở khu vực nghiên cøu lùa chän tû lƯ chÊt gia cè hỵp lý cho loại
đất tự nhiên sẵn có ở địa phơng nhằm giải quyết bài toán kinh tế - kỹ thuật
tối u.
8. Cơ sở tài liệu
Luận văn đợc hoàn thành trên cơ sở các tài liệu sau:

10

-

Giới thiệu và chỉ dẫn của nhà sản xuất chất gia cố HRB (Công ty Zugon

Industries Anh quốc);
-

Tài liệu địa chất khu vực, kết quả thí nghiệm xác định thành phần và

các đặc trng cơ lý của đất sét pha phong hoá (edQ) từ đá granit ở khu vực
huyện Sông M , tỉnh Sơn La;
-

Kết quả thí nghiệm trong phòng về chất gia cố HRB ở Viện Khoa học

và Công nghệ Giao thông Vận tải mà tác giả đ có điều kiện tham gia;
-

Kết quả kiểm định chất lợng cđa viƯc sư dơng thư nghiƯm chÊt gia cè

HRB t¹i hiện trờng, do Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải
cùng Phòng thí nghiệm của Công ty T vấn xây dựng Hàng không thực hiện;
-

Ngoài ra, tài liệu tham khảo và sử dụng một số tài liệu có liên quan đến

đề tài đ đợc nhiều tác giả nghiên cứu và công bố;
9 . Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm 04 chơng: Phần mở đầu và kết luận với tổng số 96 trang
đánh máy, 07 ảnh minh hoạ, 16 hình vẽ và 24 bảng thống kê tổng hợp kết quả
thí nghiệm.
Luận văn đợc hoàn thành tại Bộ môn Địa chất công trình - Trờng Đại
học Mỏ - Địa chất.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Tiến sĩ Tô Xuân Vu - Thầy
giáo trực tiếp hớng dẫn và truyền đạt kiến thức trong quá trình thực hiện luận
văn.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo trong Bộ môn Địa chất
công trình, Khoa Địa chất, Phòng Đại học và sau Đại học - Trờng Đại học
Mỏ - Địa chất đ giúp đỡ tôi bồi dỡng kiến thức, nâng cao chuyên môn trong
thời gian học tập nghiên cứu tại trờng và hoàn thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu và hữu ích của
Th.s Đoàn Hồng Thắm cùng các thành viên trong Phòng Địa kỹ thuật của
Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận Tải.


11

Cảm ơn Công ty TNHH Phú Thiện Phát nhà cung cấp chất gia cố HRB,
Ban quản lý dự án 47 - Bộ Tổng tham mu, Phòng thí nghiệm của Công ty T
vấn xây dựng Hàng không, Cục Địa Chất và Khoáng sản Việt Nam, Phòng
Hoá phân tích Viện Hoá học thuộc Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam, đ
nhiệt tình sử dụng phơng pháp quang phổ hấp thụ để nghiên cứu chất gia cố
HRB.
Hà Nội, Tháng 12 năm 2009

12

Chơng 1
Tổng quan các phơng pháp cải tạo đất
bằng chất kÕt dÝnh

Thùc tÕ ® cho thÊy r»ng, cã nhiỊu u tố ảnh hởng đến hiệu quả của
việc cải tạo đất bằng chất kết dính. Mỗi phơng pháp cải tạo sẽ thích hợp cho
một chất kết dính và tơng ứng với loại đất sẽ sử dụng. Đối với đất loại sét thì
quá trình trao đổi ion là một phần không thể thiếu khi nghiên cứu về đặc tính
địa chất công trình của loại đất này.
1.1 . Khả năng trao đổi ion và ảnh hởng của nó đến tính chất
của đất loại sét
Đất là một hệ phân tán, gồm nhiều cỡ hạt khác nhau, có thể coi đất nh
là một hệ gồm 3 pha rắn, lỏng, khí. Pha rắn là bộ phận chủ yếu của đất tạo nên
cốt đất, trong đó bao gồm những hạt có kích thớc khác nhau. Thành phần hạt
của đất có ý nghĩa quan trọng đối với tính chất hoá lý của nó. Tuỳ theo mức
độ đập vỡ pha cứng, tổng diện tích bề mặt của từng hạt đất trong hợp thể mang
tính quyết định đối với tính chất hoá lý của đất, chi phối chế độ nớc và những
phản ứng hoá học xảy ra trong đất. Tổng diện tích bề mặt lớn thì diện tiếp xúc
với môi trờng xung quanh lớn, dẫn đến hoạt tính hoá lý của các hạt mạnh mẽ
hơn. Có thể thấy rõ đặc trng này của hạt sét.
1.1.1. Cấu trúc của hạt keo sét
Trong đất, nhóm hạt sét là nhóm hạt nhỏ. Mức độ phân tán rất lớn, tỷ
diện tích lớn khoảng 20-800m2/g, giữ nớc nhiều. Thành phần khoáng vật của
nhóm hạt sét rất phức tạp, ngoài một số ít khoáng vật nguyên sinh nh thạch
anh, canxít, phần chủ yếu là khoáng vật sét. Khoáng vật sét là hợp chất
Alumo-silicat, có cấu trúc tinh thể dạng lớp, liên kết giữa một số lớp khá yếu.
Oxit Silic (SiO2) và oxit Alumin (Al2O3) là hai thành phần chủ yếu của khoáng
vật sét thờng chiếm hơn 70% khối lợng. Ngoài ra còn có sắt, magiê, canxi

13

hoặc kali. Các loại khoáng vật sét thờng gặp là kaolinit, hyđromica,
montmorilonit.
Cấu trúc tinh thể dạng lớp của khoáng vật sét không ổn định khi gặp nớc.
Nớc ở dạng ion (H+, OH-) xâm nhập vào mạng tinh thể và đẩy các lớp ion có
liên kết yếu trong mạng tinh thể ra xa nhau làm cho khoáng vật sét có tính
ngậm nớc và tính trơng nở lớn, do đó cũng có tính co ngót lớn khi mất
nớc.
Mạng tinh thể của khoáng vật gồm một tổ hợp những yếu tố kiến trúc xác
định, hợp thành các lớp nguyên tử, ion kế tiếp nhau. Điện lợng của các ion
trong mạng bù lẫn nhau và b o hoà điện tích. Điện lợng của các ion phân bố
ở bề mặt của mạng thì một phần đợc cân bằng bởi điện lợng của các ion
phân bố bên trong nó, một phần vẫn ở thể tự do, đồng thời tạo nên các trung
tâm hoạt tính. Các điện lợng tự do của hạt sét có thể phát sinh do kết quả đập
vỡ các tinh thể, do thay thế một số nguyên tử trong mạng tinh thể bằng những
nguyên tử khác nhau, do hấp thụ chọn lọc hoặc tác dụng hoá học của hạt sét

Lớp điện kép

với môi trờng xung quanh nh hình 1.1

1

3

4

2

Hình1.1. Sơ đồ cấu trúc của Mixen do hạt phân tán mịn tạo nên


14

Trong hình 1.1:
1. Hạt phân tán mịn tạo nên nhân của mixen;
2. Các điện lợng của các ion quyết định thế tạo thành những trung tâm
hoạt tính trên bề mặt hạt;
3. Lớp phản ion không di động, tức lớp ion bù nhau, cùng với nhân tạo nên
granun của mixen;
4. Lớp khuếch tán của các ion đ bị phân li; (theo V.Đ Lomtadze)
Trên bề mặt hạt sét khi nó tác dụng với môi trờng nớc xung quanh tạo
nên những hợp chất mới có khả năng điện phân, do đó hạt sét biến thành dạng
keo phức tạp, bị một lớp khuếch tán bao quanh và tạo thành hạt keo sét. Tuỳ
thuộc vào phân tử hình thành nên nhân keo và độ pH môi trờng mà hạt keo
sét có thể mang điện tích dơng hoặc âm. Cấu tạo của hạt keo sét bao gồm
nhân keo và lớp điện kép.
+ Nhân keo đợc tạo nên bởi nhiều phân tử, có cấu trúc tinh thể. Nhân keo
hấp thụ chọn lọc từ dung dịch những ion có trong thành phần nhân keo hoặc
với những ion nhân keo thành hợp chất ít tan. Các ion này quết định điện tích
hạt keo sét. Nhân keo tích điện hút các ion trái dấu (đổi ion) hình thành lớp
điện kép.
+ Líp ®iƯn kÐp bao gåm hai líp ion: Líp hÊp thụ và lớp khuếch tán. Các
ion trong lớp hấp thụ liên kết chặt chẽ với nhân keo vì lực hút mạnh tạo thành
hạt keo sét. Các ion trong lớp khuếch tán liên kết với các hạt keo thì yếu hơn
nhiều.
V.Đ Lomtadze đ đa ra sơ đồ về cấu tạo lớp ®iƯn kÐp nh− h×nh 1.2

15

A B
1

2

3

4

I

a

b
c

F

Khuếch tán

Ranh giới lớp

E

d

J
1

2

3

4

đ

Hình 1.2. Sơ đồ lớp điện kép
Trong hình 1.2:
A. Ranh giới phân chia giữa hạt cứng và môi trờng;
B. Ranh giới phân chia giữa các phần di động và không di động của lớp
khuếch tán;
1-1. Điện lợng âm của các ion quyết định thế, tạo thành những trung tâm
hoạt tính trên bề mặt hạt;
2-2. Lớp phản ion không di động, tức lớp ion bù nhau;
3-3. Lớp khuếch tán của các ion bù;
4-4. Dung dịch tự do;
a-b. Mức thế ở hạt cứng;
b-c. Đờng sụt thế ở phần không di động của lớp điện kép;
c-d. Đờng sụt thế ở phần di động của lớp điện kép;
d-đ. Mức thế ở dung dịch tự do;
IE. Độ giảm thế năng tại lớp các cation hấp phụ;
EF. Độ giảm thế năng tại lớp các ion khuếch tán;
1-2. Chiều dày lớp các cation hấp phụ liên kết chặt chẽ với điện trờng
mạnh;
2-3. Chiều dày lớp các ion khuếch tán;

16

Trên mặt hạt sét trong môi trờng nớc luôn xuất hiện những trung tâm
hoạt tính tự do, lực liên kết của các trung tâm này đợc quyết định bởi tơng
quan điện lợng hạt nhân và các tầng điện tử của các ion và nguyên tử của
mạng tinh thể. Các trung tâm này đợc tạo thành bởi những hoá trị cha cân
bằng của silic, nhôm, ôxy, OH và các ion khác hoặc bởi các lực cộng hoá trị
của các nguyên tử. Chúng tạo nên quanh hạt sét một trờng lực là lớp khuếch
tán mà trong phạm vi đó các phân tử nớc và các ion của môi trờng xung
quanh bị phân cực. Những ion nh vậy trong môi trờng nớc thờng gặp là
K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, Al3+. Bởi vì các ion đ bị phân cực thì không tham
gia vào nhân alumosilicat, cho nên liên kết giữa chúng với các tinh thể yếu
hơn so với các ion thuộc tinh thể. Hơn nữa, sự hydrat hoá của các ion cũng
làm cho liên kết giữa chúng với bề mặt hạt yếu đi. Do vậy các hạt keo có khả
năng trao đổ ion.
Sự phân phối các phân tử có cực và ion trong lớp khch t¸n xÈy ra d−íi
t¸c dơng cđa c¸c lùc bỊ mặt. Năng lợng của trờng lực thay đổi tuỳ theo đặc
điểm cấu trúc mạng tinh thể hạt sét và khoảng cách từ bề mặt, khoảng cách
càng xa bề mặt trờng lực càng yếu, cho nên nồng độ và tính linh động của
các phân tử nớc và của các ion trong lớp khuếch tán cũng biến đổi. Sát bề
mặt hạt nồng độ các phân tử ion là lớn nhất và chúng khó di động. Càng xa bề
mặt hạt, nồng độ ion giảm xuống và chúng càng có tính di động lớn.
Chiều dày của lớp khuếch tán biến đổi không những theo tổng năng lợng
bề mặt của hạt, mà còn theo thành phần của các ion bị hấp thụ. Các ion hoá trị
một nh K+, Na+, Li+ tạo nên lớp khuếch tán dày nhất; các ion hoá trị hai nh
Ca2+, Mg2+ tạo thành lớp kém dày hơn, còn các ion hoá trị ba nh Fe3+, Al3+
thì tạo thành lớp mỏng nhất. Hoá trị của các ion lớp khuếch tán càng lớn thì
lực hút của chúng với bề mặt càng mạnh, các hạt càng ít a nớc, lớp khuếch

tán càng bị nén mạnh và chiều dày càng bén. Do đó, điện thế các hạt càng
nhỏ.


17

Những vấn đề trên cho thấy, hạt sét ở trong môi trờng nớc là vật kích
thích trờng lực. Vì vậy khi các phân tử nớc rơi vào phạm vi tác dụng của
trờng nh vậy, chịu hiệu ứng sắp xếp lại, thay đổi chuyển động nhiệt của
mình, bị phân cực, hợp thành nhóm tạo thành các màng solvat, nên xung
quanh mọi hạt sét nớc đều bị hấp thụ, bị lôi kéo và giữ lại trên mặt nhờ tác
dụng ion, cộng hoá trị, từ, phân tử của nó cũng nh do hiệu ứng sắp xếp của
các ion thuộc lớp khuếch tán .
Nh vậy, rõ ràng khác hệ phân tán thô, hệ phân tán mịn có hoạt tính hoá lý
cao, bản thân các hạt thì rất linh động, các quá trình trao đổi ion, hấp phụ và
các phản ứng hoá học xảy ra rất phức tạp, và do đó tính chất cơ lý của chúng
khác xa với hệ phân tán thô. Hàm lợng nhãm h¹t < 0.002mm cho dï chØ
chiÕm tû lƯ nhá trong một loại đất, nhng tính chất của đất lại do nhóm hạt có
kích thớc rất nhỏ này quyết định.
1.1.2. Khả năng trao đổi ion của hạt keo sét
Khả năng trao đổi ion của hạt keo sét đợc biểu thị ở khả năng trao đổi một
phần nào đó cation hoặc anion bị hấp phụ ở lớp khuếch tán của hạt keo sét cho
một số lợng tơng đơng các cotion ở dung dịch tiếp cận nó. Dới tác dụng
của lực tĩnh điện và phân tử, các cation bị hấp thụ ra khỏi dung dịch tham gia
hoá hợp với pha khoáng của đất, thay vào chỗ chúng có một số lợng tơng
đơng c¸c ion kh¸c tõ líp khch t¸n cđa pha cøng chuyển sang dung dịch.
Giữa các cation của lớp khuếch tán thuộc pha khoáng của đất và các cation
của dung dịch bao giờ cũng có sự cân bằng.
Lực tơng tác giữa các hạt sét tĩnh điện và các cation trong tầng trái dấu
phụ thuộc vào điện lợng của các hạt, loại, hoá trị của ion và khoảng cách với

bề mặt hạt khoáng. Điện lợng của các hạt thay đổi phụ thuộc vào thành phần
khoáng vật, mức độ phân tán các hạt, độ pH môi trờng nớc bao quanh, các
thành tạo tầng điện kép của hạt khoáng v.v


18

Trong điều kiện tự nhiên, ở trạng thái trao đổi trong đất sét gặp chủ yếu là
các cation K+, Na+, Ca2+, Mg2+ ít hơn là H+, Fe3+, Al3+ ít hơn nữa là một số
anion. Khả năng trao đổi ion của hạt keo đất phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo
của mạng tinh thể khoáng vật sét nh hình 1.3

Cation trao đổi
G=1050

nH2o

6(OH)
4Al
2(OH)+4O
4Si
6O
1

3

2

4

b,

a,

Hình 1.3. Mạng tinh thể của một số khoáng vật sét
a/ Kaolinit; b/Monmorilonit
1. Oxy; 2. Hydroxyl; 3. Nhôm, sắt, ma nhê; 4. Silic, đôi khi nhôm
+ Khoáng vật Kaolinit có cấu tạo mạng tinh thể bất động, các cation khó
thâm nhập vào giữa các phông của mạng. Các mặt cơ sở lại trung hoà điện nên
các phản ứng hấp thụ trao đổi ion chỉ xẩy ra ở những chỗ vỡ của mạng tinh
thể.
+ Khoáng vật Hyđromica tuy có cấu tạo mạng tinh thể bất động, nhng
mạng cơ sở mang điện tích âm rất lớn do bên trong cha trung hoà điện tích
và không có sự đền bù điện tích từ trong ô mạng tinh thể khi có sự thay thế
Si4+ cho Al3+ hoặc Al3+ cho các ion khác có hoá trị thấp hơn. Vì vậy sự trao đổi
cation có thể xẩy ra ở mặt vỡ và ở cả mặt cơ sở của mạng tinh thể.
+ Khoáng vật Monmorilonit có cấu tạo mạng tinh thể linh động (liên kết
giữa các phông là các ion OH- rất yếu) cho nên quá trình trao ®ỉi cation diƠn


19

ra ở cả bên ngoài và bên trong mạng tinh thể. Trong phông lại chứa các phân
tử nớc nên dễ dàng tạo thành vỏ thuỷ hoá xung quanh cation tạo thuận lợi
cho việc trao đổi.
Mỗi khi trong dung dịch đất có nhiều cation khác với những cation trong
keo, thì thờng xảy ra hiện tợng một số cation trong hạt keo sét bị đẩy ra và
những cation này thay thế vào đó. Nếu trong dung dịch nớc càng thêm những
cation mới thì trong hạt keo sét lại càng đợc thay thế bằng những cation mới.
Và nếu càng thêm cation mới vào dung dịch, thì những cation bị hấp phụ trớc

lại càng có khả năng bị đẩy ra thêm. Đến một lúc nào đó, giữa dung dịch đất
và keo có một thế cân bằng. Đại lợng dùng để đo khả năng trao đổi ion của
đất là sức chứa hấp thụ hoặc sức chứa trao đổi đợc đặc trng bằng tổng số
các cation, anion bị đất hấp thụ hoặc trao đổi trong những ®iỊu kiƯn cho tr−íc.
Ng−êi ta biĨu thÞ søc chøa hÊp thụ bằng mg - đơng lợng cho 100g đất khô.
Trong số những cation trao đổi của keo đất, thì cation H+ chiếm một vai trò
đặc biệt. Bởi vì dung tích nguyên tử của hydrogen rất bé nên nồng độ điện
lợng ở ion H+ rất lớn, bởi vì tốc độ của nó rất lớn, cho nên nó có một khả
năng hoá hợp với nớc rất bé, ngoài ra H+ lại có khả năng hợp thành những
hợp chất đồng hoá trị. Do đó ion H+ có khả năng đẩy những cation khác rất
mạnh và hút rất chặt vào các hạt đất. Vì vậy, độ pH (nồng độ cation H+) môi
trờng là yếu tố ảnh hởng không nhỏ tới khả năng, mức độ trao đổi ion.
Thành phần ion của môi trờng xung quanh cũng chiếm một phần rất quan
trọng, bởi vì năng lợng hấp thụ hay năng lợng trao đổi ở những ion khác
nhau là không đồng nhất. Các cation hoá trị lớn hơn có điện lợng cao hơn và
có năng lợng hấp thụ lớn hơn đẩy mạnh các ion khác ra khỏi trạng thái bị
hấp phụ (ra khỏi lớp khuếch tán) nhng bản thân lại khó chuyển dịch sang
dung dịch, bởi vì tác dụng qua lại về mặt tĩnh điện với các hạt phân tán lại
mạnh hơn. Các cation hoá trị bé hơn, do có điện lợng bé hơn thì tham gia
kém tích cực trong phản ứng trao đổi và dễ dàng bị đuổi ra khỏi phức chất hấp


20

thụ. K.K Geđroytx đ xác định đợc rằng các ion hoá trị một có khả năng hấp
thụ nhỏ hơn các ion hoá trị hai và các ion hoá trị hai lại có khả năng hấp thọ
nhỏ hơn các ion hoá trị ba. Theo năng lợng hấp thụ thì các ion khác nhau
đợc phân bố theo trình tự sau:
Fe3+ > Al3+ > H+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+
Trong điều kiện tự nhiên, trao đổi trong đất loại sét thờng chủ yếu là các

cation K+, Na+, Ca2+, Mg2+ ít hơn là Fe3+, Al3+, H+, sau cùng một số anion.
Nồng độ cũng nh tỷ lệ giữa các ion trong pha lỏng (môi trờng) thay đổi
sẽ làm mất sự cân bằng trong tầng ion trái và gây nên hiên tợng trao đổi ion
để tạo nên một cân bằng mới. Nếu gọi năng lực đi vào tầng khuếch tán của
các ion trong dung dịch tự do để trao đổi ion trong tầng khuếch tán là năng lực
trao đổi, thì ngợc lại năng lực của các ion trong tầng khuếch tán đi ra ngoài
dung dịch tự do là năng lực phân ly. Hoá trị ion càng cao thì khả năng trao đổi
ion càng mạnh. Cùng hoá trị thì khả năng trao đổi phụ thuộc vào bán kính ion,
trừ ion H+ và OH- là ngoại lệ. Sự trao đổi ion không những xảy ra trên bề mặt
chất hấp thụ mà còn có thể xảy ra ở những lớp nằm sâu bên trong nó nếu nh
dung dịch có thể tới đợc. Chất hấp thụ có thể có bản chất là axit hoặc bazơ.
Chất hấp thụ axit có khả năng hấp thụ trao đổi cation gọi là cationit; chất hấp
thụ bazơ có khả năng hấp thụ trao đổi anion gọi là anionit. Sự trao đổi đợc
mô tả theo sơ đồ sau:
Cationit: H+ Na+ + Cl- Cationit + Na+ … H+ + ClAnionit: OH-… Na+ + Cl- → Anionit + Cl- … Na+ + OHTån t¹i cả những chất hấp thụ lỡng tính có khả năng trao đổi cation trong
những điều kiện nhất định và trao đổi anion trong những điều kiện khác.
Nh vậy, quá trình trao đổi ion trong phức hệ keo đất là một quá trình phức
tạp. Nó là kết quả của sự trao ®ỉi ion gi÷a líp ®iƯn kÐp cđa phøc hƯ keo đất
với môi trờng xung quanh. Việc nghiên cứu thành phần cation trao đổi (bị
hấp thụ) và sức chứa hấp thụ có tầm quan trọng thực tiễn to lớn khi đánh gi¸