Ứng dụng mô hình nhiệt động lực học để thiết kế hỗn hợp đất gia cố

Nội dung text: Ứng dụng mô hình nhiệt động lực học để thiết kế hỗn hợp đất gia cố

1. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC ĐỂ THIẾT KẾ HỖN HỢP ĐẤT GIA CỐ Nguyễn Hữu Năm Viện Thủy điện và Năng lượng tái tạo Tóm tắt: Mục đích tìm kiếm hỗn hợp thích hợp để thi công, thí nghiệm mẫu của từng thiết kế cấp phối của đất ổn định. Tuy nhiên để nâng cao độ chính xác của thí nghiệm thì số lượng mẫu phải tiến hành nhiều dẫn đến kết quả thí nghiệm có độ chính xác cao. Các cơ chế cơ bản còn chung chung nên chưa thực sự phân tích chi tiết cơ chế cải tạo của đất bazan. Cơ chế khoáng chưa xác định sẽ tham gia vào quá trình ổn định đất. Dựa trên mô hình nhiệt động lực học, bài báo tập trung giải thích chi tiết vai trò của từng thành phần khoáng trong đất đối với việc cải thiện các chỉ tiêu cơ học của đất ổn định. Cũng như cơ chế phản ứng của chất kết dính với các thành phần khoáng chất của đất. Kết quả của mô hình được so sánh tương đối với kết quả thí nghiệm để xác định tính đúng đắn của mô hình nhiệt động lực học cũng như kết quả của thí nghiệm, chứng minh tính khả thi của việc gia cố đất bazan bằng hỗn hợp pozzolan tự nhiên, tro bay và xi măng. Hàm lượng khoáng trong các thiết kế hỗn hợp khác nhau được dự đoán bằng mô hình nhiệt động lực học, từ đó dự đoán khả năng cơ học của từng thiết kế hỗn hợp. Từ khóa: Mô hình nhiệt động lực học, đất gia cố, thiết kế hỗn hợp, pozzolan / vôi / xi măng. Summery: The purpose of finding suitable mixes for construction, sample experiments of each mix design of stabilized soils should be tested. However, in order to improve the accuracy of the experiment, the number of samples to be conducted is high, leading to high accuracy of the test results. The basic mechanisms are general so they have not really analyzed in detail the reclamation mechanism of basalt soil. The unspecified mineral mechanism will participate in the soil stabilization process. Based on the thermodynamic model, the paper focuses on explaining in detail the role of each mineral component of the soil for improving the mechanical properties of stabilized in soil. As well as the reaction mechanism of the binder mixture with the mineral components of the soil. The results of the model are compared relative to the experimental results to determine the correctness of the thermodynamic model as well as the results of the experiment, proving the feasibility of reinforcing basalt soil by mixture natural pozzolan, fly ash and cement. Mineral content of different mix designsis predicted by thermodynamic model thereby predicting the mechanical capacity of each mix design. Keywords: Thermodynamic model, stabilized soils, mix design, natural pozzolan/lime/cement 1. GIỚI THIỆU * thái cuối cùng sau khi phản ứng kết thúc. Các Nhiệt động lực học rất cần thiết cho sự hiểu biết định luật chung về điều hòa nhiệt động lực học của chúng ta về các phản ứng hóa học. Với 3 đã được biết đến từ lâu và lần đầu tiên được áp biến quan trọng nhất là nhiệt độ, áp suất và dụng vào hóa học xi măng vào cuối thế kỷ 19 thành phần hóa học, chúng ta có thể dự đoán bởi Le Chatelier để chứng minh rằng quá trình được phản ứng có xảy ra hay không và trạng thủy hóa xi măng thu được thông qua sự hòa tan clinker ban đầu dẫn đến nước luôn bão hòa. pha Ngày nhận bài:26/02/2021 Ngày duyệt đăng: 02/4/2021 Ngày thông qua phản biện: 19/3/2021 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 1
2. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ cho các phản ứng hydrat hóa, dẫn đến sự kết tủa nghiệm để xác định tính đúng đắn của mô hình của các pha rắn. Cuối cùng, sự cân bằng pha rắn nhiệt động lực học cũng như kết quả của thí lỏng còn lại đạt được trong hệ thống lỗ xốp của nghiệm, chứng minh tính khả thi của việc gia pha rắn xi măng. Từ những năm 1940, thời kỳ cố đất bazan bằng hỗn hợp pozzolan tự nhiên, nghiên cứu về nhiệt động lực học ứng dụng tro bay, xi măng. Hàm lượng khoáng của các được phát triển mạnh mẽ. Một số điều để khai thiết kế hỗn hợp khác nhau được dự đoán bằng sinh ra sự phát triển của các ứng dụng nhiệt mô hình nhiệt động lực học, từ đó dự đoán khả động lực học là sự ra đời của nhiều định luật cơ năng cơ học của từng thiết kế hỗn hợp. bản, ví dụ về đặc điểm nhiệt động lực học của 2. CÁCH TIẾP CẬN MÔ HÌNH các pha khác nhau: nóng chảy, keo tụ, thủy tinh. Phản ánh mối quan hệ giữa cân bằng và tốc độ A. Cân bằng nhiệt động lực học phản ứng của các chất. Sự tương tác giữa các ion và các loài khoáng Mô hình nhiệt động lực học được phát triển và dẫn đến sự kết tủa / hòa tan của các khoáng chất. áp dụng bởi các nhà địa hóa học để tính toán hệ Tỷ lệ bão hòa khoáng Ωm có thể được biểu thị bằng: phương trình phức tạp của các hệ đa hình xảy ra trong tự nhiên. Mô hình nhiệt động đã được Nc −1 νmj ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Ví dụ, dự đoán Ωm = Ks,m ∏(γjCj) (1) độ bền của công trình ngầm chất thải phóng xạ j=1 với xi măng / đất sét / tương tác phóng xạ [1], m = 1, , Np [2], mô hình hóa tương tác với đất sét hoặc Trong đó m là chỉ số của các loài khoáng, Ks,m bentonit, và chất kết dính pozzolan [3], [4]. là hằng số cân bằng Cj là nồng độ mol của các Có thể thấy rằng ứng dụng của mô hình nhiệt loài nguyên sinh trong dung dịch (mol.kg-1) tức động tương tác trong môi trường pozzolan là rất là các loài được cho là di chuyển trong dung phong phú. Vì vậy, có thể áp dụng mô hình dịch / Các ion khác (thường phức tạp hơn) được nhiệt động lực học để nghiên cứu cơ chế phản tính đến khi tính toán độ phức của ion (xem ứng giữa đất bazan - pozzolan tự nhiên - phương trình 3). νmj là hệ số phân cực của loài pozzolan nhân tạo như tro bay, xi măng. nguyên sinh, γj là hệ số hoạt độ của ion j, Nc, N là số loài nguyên sinh và loài khoáng tương Mục đích tìm cấp phối thích hợp để thi công, p ứng. Trạng thái cân bằng (hoặc không cân bằng) thí nghiệm mẫu của từng cấp phối thiết kế đất của các loại khoáng trong dung dịch được kiểm ổn định. Tuy nhiên để nâng cao độ chính xác soát bởi chỉ số bão hoà khoáng IS , như sau: của thí nghiệm thì số lượng mẫu phải tiến hành m nhiều dẫn đến kết quả thí nghiệm có độ chính ISm = log Ωm (2) xác cao. Các cơ chế cơ bản còn chung chung Đối với một loại khoáng đã cho, dung dịch cân nên chưa thực sự phân tích chi tiết cơ chế cải bằng với loại khoáng nếu ISm = 0. Dung dịch tạo của đất bazan. Cơ chế khoáng chưa xác chưa bão hòa và các loại khoáng chất vẫn có thể định sẽ tham gia vào quá trình ổn định đất. Dựa hòa tan nếu ISm 0. Các phức chất nước được hình phần khoáng trong đất đối với việc cải thiện thành do tương tác giữa các loài nguyên sinh các chỉ tiêu cơ học của đất ổn định. Cũng như trong dung dịch. Các phản ứng này được giả cơ chế phản ứng của chất kết dính với các định là ở trạng thái cân bằng cục bộ. Bằng cách thành phần khoáng chất của đất. Kết quả của sử dụng định luật tác dụng khối lượng, nồng độ mô hình được so sánh tương đối với kết quả thí của phức chất trong nước có thể được biểu thị 2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021
3. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ dưới dạng hàm số của nồng độ của các loài B. Phản ứng hóa học và dữ liệu đầu vào cần nguyên sinh, như sau: thiết Nc Mineralogical composition of the initial C = K−1γ−1 ∏(γ C )νij i c,i i j j (3) materials: Soil, lime, volcanic ash was j=1 identified by powder X-ray diffraction i = 1, , Nx (XRD). The Bogue calculat Thành phần trong đó: Ci là nồng độ mol của phức chất trong khoáng vật của vật liệu ban đầu: Đất, vôi, tro −1 i (mol. kg ). γi, γj là các hệ số hoạt động. Kc,i núi lửa được xác định bằng phương pháp nhiễu là hằng số cân bằng của tạo phức nước. Nx là số xạ tia X dạng bột (XRD). Tính toán Bogue để phức chất nước được xem xét trong dung dịch. xác định các giai đoạn clinker không được làm Cơ sở dữ liệu nhiệt động lực học bao gồm các khan trong xi măng poóc lăng thông thường thông số này, cơ sở dữ liệu nhiệt động học (OPC) được trình bày chi tiết hơn trong công THERMODDEM của Blanc và cộng sự [5] trình của Tran [6]. Thành phần khoáng vật ban được áp dụng trong bài báo này. đầu của hỗn hợp được cho trong bảng 1. Bảng 1: Thành phần khoáng vật của các vật liệu ban đầu Thành phần Vật liệu Pha Công thức (g/100g) Đất Quartz SiO2 4 Kaolinite Al2Si2O5(OH)4 23 Gibbsite Al(OH)3 61 Vôi Lime CaO 66 Portlandite Ca(OH)2 16 Calcite CaCO3 9 Periclas MgO 3 Quartz SiO2 1 Pozzolan tự nhiên Diopside CaMg(SiO3)2 29 Daknong Forsterite Mg2SiO4 23 Cristobalite SiO2 1 Albite NaAlSi3O8 27 Quartz SiO2 4 Xi măng Portland Alite (C3S) Ca3SiO5 or 16.75 Unhydrated (3CaO.SiO2) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 3
4. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Thành phần Vật liệu Pha Công thức (g/100g) Belite (C2S) Ca2SiO4 or (2CaO. SiO2) 54.45 Aluminate (C3A) Ca3Al2O6 or (3CaO.Al2O3) 14.08 Ferrites (C4AF) Ca4Al2Fe2O10 or 8.52 (4CaO.Al2O3.Fe2O3) Gypsum CaSO4.2H2O 1.40 Hệ thống phản ứng hóa học của quá trình ổn hằng số cân bằng ở môi trường xung quanh định đất được trình bày trong bảng 2, cũng như 25°C, 1 atm. Bảng 2: Phản ứng hóa học và hằng số cân bằng ở 25 ° C, 1 atm. Phản ứng hóa học log K Quartz + 2H2O = H4SiO4 -3.74 + 3+ Kaolinite + 6H = 2Al + 2H4SiO4 + H2O 6.47 + 3+ Gibbsite + 3H = Al + 3 H2O 7.74 + 3+ Hematite + 6H = 2Fe + 3 H2O -0.04 + 3+ Goethite + 3H = Fe + 2 H2O 0.36 + 2+ Lime + 2H = Ca + H2O 32.70 + 2+ Portlandite + 2H = Ca + 2H2O 22.81 + 2+ − Calcite + H = Ca + HCO3 1.85 + 2+ Periclas + 2H = Mg + H2O 21.59 + 2+ 2+ Diopside + 4H + 2H2O = Ca + Mg + 2H4SiO4 21.73 + 2+ Forsterite + 4H = 2Mg + H4SiO4 28.60 Cristobalite + 2H2O = H4SiO4 -3.16 + 3+ + Albite + 4H + 4H2O = Al + Na + 3H4SiO4 4.14 + 2+ C − S − H 1.6 + 3.2H = 1.6Ca + H4SiO4 + 2.18H2O 28.00 + 2+ C − S − H 1.2 + 2.4H = 1.2Ca + H4SiO4 + 1.26H2O 19.30 + 2+ C − S − H 0.8 + 1.6H = 0.8Ca + H4SiO4 + 0.34H2O 11.05 + 3+ 2+ 2− Monosulfoaliminate + 12H = 2Al + 4Ca + SO4 + 18H2O 73.09 + 3+ 2+ 2− Ettringite + 12H = 2Al + 6Ca + 3SO4 + 38H2O 57.01 + 3+ 2+ Strätlingite + 10H = 2Al + 2Ca + H4SiO4 + 10.5H2O 49.67 + 3+ 2+ Hydrotalcite + 14H = 2Al + 4Mg + 17H2O 73.76 4 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021
5. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Phản ứng hóa học log K + 3+ 2+ Hydrogarnet + 12H = 2Al + 3Ca + 12H2O 49.67 + 2+ Brucite + 2H = Mg + 2H2O 17.11 Monocarboaluminate + 13H+ 80.54 3+ 2+ − = 2Al + 4Ca + HCO3 + 16.68H2O C. Mã hóa địa hóa học sánh được trình bày trong Hình 1. Các phương trình phản ứng trên được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu phản ứng. Có rất nhiều cơ sở dữ liệu phản ứng được xây dựng để mô phỏng cân bằng nhiệt động như Phreeqc [7], Cemdata, và Nagra-psi Kernel [8], Tuy nhiên, cơ sở dữ liệu có thể được xây dựng. Đầy đủ nhất là cơ sở dữ liệu Thermodem do Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Địa chất Cộng hòa Pháp (BRGM) [5] xây dựng, bao gồm một hệ thống khoáng vật hoàn chỉnh về hydrat hóa và các khoáng chất của phần lớn các loại đất tồn tại Hình 1: Lượng C-S-H, C-S-H + C-A-S-H vs trong tự nhiên. Cân bằng các phương trình trong Độ bền nén và độ bền kéo đứt [10] cơ sở dữ liệu yêu cầu phần mềm hoặc mã để đọc và chạy mô phỏng. Có rất nhiều phần mềm Qua kết quả mô hình có thể mô tả hàm lượng miễn phí được phổ biến rộng rãi trong thực tế canxi silicat (C-S-H) và tổng hàm lượng C-S-H như GEMS-PSI của cơ quan địa chất Thụy Sĩ, + C-A-S-H theo lượng pozzolan tự nhiên dùng mã phần mềm Cờ vua do Đại học Paris phát để ổn định đất qua hai vùng. Vùng một, hàm triển. Tuy nhiên, có thể nói phần mềm phổ biến lượng C-S-H hoặc C-S-H + C-A-S-H tăng và dễ sử dụng nhất là Phreeqc do cơ quan địa tương ứng với sự gia tăng lượng pozzolan được chất Hoa Kỳ Parkhurst và Appelo xây dựng [7]. sử dụng. Hàm lượng canxi silicat C-S-H, C-S- Do đó tất cả các trạng thái cân bằng nhiệt động H + C-A-S-H được hình thành nhiều nhất trong của tờ giấy được thực hiện bởi mã Phreeqc. đất ổn định khi lượng pozzolan tự nhiên được 3. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ĐÃ ĐƯỢC HIỆU sử dụng là 15% (hoặc 15 g trên 100 g đất ổn CHỈNH định) với 83% đất tự nhiên, 4% vôi và 3% xi Trong phần này, hàm lượng vôi và xi măng măng. Sau khi đạt được hàm lượng cao nhất, được chọn làm giá trị không đổi, lần lượt là 4% hàm lượng C-S-H, C-S-H + C-A-S-H hình và 3% khối lượng đất ổn định trong tất cả các thành dần dần, mặc dù hàm lượng pozzolan tự mô phỏng. Thiết kế hỗn hợp của đất tự nhiên / nhiên tiếp tục tăng ở vùng thứ hai. Đồng thời, pozzolan được mô phỏng. Lượng đất ổn định là kết quả thí nghiệm cho thấy biểu hiện cường độ 100 g, tỷ lệ đất tự nhiên / pozzolan tự nhiên chia cắt của đất ổn định phụ thuộc vào lượng được thay đổi theo khối lượng tự nhiên của pozzolan tự nhiên được sử dụng, ứng xử này pozzolan từ 0 g, 5 g, 10 g, 15 g, 20 g, 25 g, 30 tương ứng với sự thay đổi của hàm lượng canxi g và 40 g . Kết quả số được so sánh với kết quả silicat C-S-H, hay C-S-H + C-A-S-H. Sự phát thực nghiệm được trích từ Vu et al. [10]. So triển của cường độ nén chưa thực sự tương ứng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 5
6. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ với sự phát triển của hàm lượng C-S-H, hay C- định theo lượng pozzolan được sử dụng, do đó S-H + C-A-S-H theo lượng pozzolan tự nhiên mô hình nhiệt động lực học có thể được sử dụng được sử dụng, nhưng có thể thấy rằng lượng keo như một công cụ thiết kế ban đầu để tìm ra hỗn này cùng với cường độ nén kéo bị giảm khi hàm hợp tối ưu. khi sử dụng pozzolan tự nhiên cho lượng pozzolan tự nhiên lớn hơn 15%. Được đất ổn định. biết, khoáng canxi silicat C-S-H là khoáng chất Phân tích sâu hơn thành phần của các khoáng lớn nhất góp phần tạo nên cường độ của vật liệu chất còn lại sau khi đạt được trạng thái cân bằng xi măng (cường độ nén, cường độ chia cắt ) của hỗn hợp vật liệu đất ổn định với mác "đất [11]. Do đó, sự phát triển các chỉ tiêu cơ học của tự nhiên / pozzolan / xi măng / vôi = 78/15/3/4" đất ổn định phụ thuộc phần lớn vào hàm lượng bằng kết quả của mô hình nhiệt động hóa học C-S-H. Kết quả của mô hình cho thấy rằng mô chuẩn hóa của khoáng chất theo tỷ lệ phần trăm hình nhiệt động lực học dường như tương đối được thể hiện trong bảng sau Bảng 3: gần đúng với sự phát triển cường độ của đất ổn Bảng 3: Hàm lượng tiêu chuẩn của các chất khoáng trong đất ổn định sau khi đạt đến trạng thái cân bằng Lượng khoáng Vật liệu Pha Công thức tiêu chuẩn (%) Đất Quartz SiO2 100 Kaolinite Al2Si2O5(OH)4 100 Gibbsite Al(OH)3 56 Vôi Vôi CaO 0 Portlandite Ca(OH)2 100 Calcite CaCO3 100 Periclas MgO 0 Quartz SiO2 100 Pozzolan tự nhiên Diopside CaMg(SiO3)2 100 Forsterite Mg2SiO4 0 Cristobalite SiO2 0 Albite NaAlSi3O8 100 Quartz SiO2 100 Xi măng Portland Alite Ca3SiO5 or (3CaO.SiO2) 0 Unhydrated Belite Ca2SiO4 or (2CaO. SiO2) 0 Aluminate Ca3Al2O6 or (3CaO.Al2O3) 0 Ferrites Ca4Al2Fe2O10 or 0 (4CaO.Al2O3.Fe2O3) Qua kết quả ở bảng 3 có thể thấy vôi, pozzolan hoàn toàn tạo ra thành phần chính là C-S-H và và xi măng tự nhiên có hoạt tính rất lớn khi các C-A-S-H. Với pozzolan tự nhiên, chúng ta dễ khoáng chất vôi và xi măng tự do phản ứng dàng nhận thấy rằng hoạt tính tự nhiên của 6 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021
7. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ pozzolan phụ thuộc vào hàm lượng Forsterit và Đất tự nhiên tham gia vào quá trình ổn định Cristobalit, khi hai khoáng chất này phản ứng bằng cách phân giải khoáng chất gibbsite để tạo + 3 hoàn toàn sẽ tạo ra các phân tử hòa tan H4SiO4 ra các ion Al tham gia vào quá trình tạo C- (nước) trong dung dịch. Phân tử chất tan A-S-H (Strätlingite). Các ion Ca+2 tự do được H4SiO4 (nước) có thể được viết dưới dạng cung cấp bởi các khoáng chất vôi và xi măng phương trình sau: CaO tự do. H4SiO4 = SiO2 + H2O (4) Ngoài việc kiểm tra tính đúng đắn của mô hình, kết quả mô hình và kết quả thí nghiệm trong trường hợp so sánh vai trò của vôi trong ổn định đất, phân bố sử dụng 10% pozzolan tự nhiên, 3% xi măng và 4% vôi được so sánh với các hỗn hợp đất tương tự. , pozzolan tự nhiên, xi măng và không vôi. Bảng 4: Cường độ nén thí nghiệm của mẫu sau 14 ngày ở điều kiện bão hòa và hàm lượng khoáng C-S-H và C-A-S-H được mô phỏng trong hai thiết kế hỗn hợp đất ổn định sử dụng vôi và không sử dụng vôi Thí nghiệm Phương pháp số (Khối lượng) Trọng lượng vôi Cường độ nén trung (g/100g) bình của 3 mẫu C-S-H C-A-S-H C-S-H+ (MPa) C-A-S-H 0 0.33667 0.04371 0.00954 0.05325 4 0.65000 0.08004 0.00954 0.08958 Kết quả trình bày trong bảng 4 cho thấy sử dụng không sử dụng vôi dẫn đến lượng khoáng 10% pozzolan tự nhiên và 3% xi măng, hàm Forsterit bị hòa tan rất nhỏ. Vì hoạt động của lượng vôi có ảnh hưởng đến cường độ nén của pozzolan tự nhiên không được tối đa hóa. Qua thử nghiệm. Với hàm lượng vôi 4% được sử đó có thể thấy vai trò quan trọng của vôi trong dụng, cường độ nén của đất ổn định gần như việc kích hoạt hoạt động của pozzolan tự nhiên tăng gấp đôi. Kết quả cường độ nén thí nghiệm trong quá trình ổn định đất. được đối chứng với kết quả của mô hình số. Mô Kết quả thí nghiệm và mô hình số lại được đối hình số cho thấy hàm lượng khoáng C-A-S-H chứng cho thấy tính đúng đắn của mô hình không đổi, tuy nhiên, C-S-H và hàm lượng nhiệt động được thiết kế để nghiên cứu cơ chế khoáng cung cấp cường độ chính cho vật liệu xi phản ứng của các chất trong hỗn hợp vật liệu măng, gần như tăng gấp đôi tương ứng với cường độ nén kép. Hàm lượng C-S-H tăng do ổn định đất. Để hiểu và so sánh vai trò của các vôi CaO tự do trong vôi sống hòa tan tạo Ca + 2 chất trong hỗn hợp nếu đất ổn định, bài báo làm mất cân bằng hệ phản ứng và Forsterit hòa mô phỏng và so sánh với kết quả thí nghiệm tan hoàn toàn tạo ra các phân tử hòa tan H4SiO4 của hai thiết kế hỗn hợp: đất-xi măng- + 2 (nước) (SiO2 (nước)) kết hợp ion Ca tạo ra pozzolan tự nhiên và đất-xi măng. trong phần C-S-H (CS-H1.6, CS-H1.2 và CS-H0.8), cơ chế tiếp theo. này không xuất hiện trong trường. Sự kết hợp TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 7
8. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 4. NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XI độ bền kéo đứt của mẫu thử được bảo dưỡng MĂNG ĐẤT- THIÊN NHIÊN POZZOLAN trong điều kiện bão hòa sau 14 ngày tuổi. Hai Trong phần này, mô hình nhiệt động sẽ nghiên thiết kế hỗn hợp được sử dụng cho nghiên cứu cứu khả năng hoạt hóa của xi măng đối với là "đất / pozzolan tự nhiên / xi măng = 90/0/10 pozzolan tự nhiên Daknong trong quá trình gia và 80/10/10". Kết quả thí nghiệm cường độ cố vôi chưa sử dụng. Kết quả của mô hình, là nén của mẫu sau 14 ngày ở điều kiện bão hòa hàm lượng khoáng mang lại khả năng cơ học và hàm lượng khoáng C-S-H và C-A-S-H của cho vật liệu C-S-H và C-A-S-H, sẽ được kiểm hai hỗn hợp thiết kế đất ổn định sử dụng soát với kết quả của thử nghiệm: độ bền nén và pozzolan tự nhiên và không sử dụng pozzolan tự nhiên được trình bày trong bảng 5. Bảng 5: Cường độ nén thí nghiệm của mẫu sau 14 ngày ở điều kiện bão hòa và hàm lượng khoáng mô phỏng C-S-H và C-A-S-H của hai hỗn hợp thiết kế đất ổn định sử dụng pozzolan tự nhiên và không sử dụng pozzolan tự nhiên Hỗn hợp thiết kế P/C=0/10 P/C=10/10 Cường độ nén (MPa) 1.1 1.07 Cường độ chịu kéo (MPa) 0.085 0.086 C-S-H (khối lượng thể tích) 0.0725 0.0735 C-A-S-H (khối lượng thể tích) 0.0239 0.0239 C-S-H+C-A-S-H (khối lượng thể tích) 0.0964 0.0973 Qua kết quả ở bảng trên có thể thấy hàm lượng của Daknong, không có tác dụng gia cố đất. khoáng C-S-H và C-A-S-H tương đối tương Đồng thời, kết quả hàm lượng khoáng C-S-H đương trong hai trường hợp pozzolan tự nhiên và C-A-S-H của mô hình tương đối phù hợp và không pozzolan tự nhiên có xi măng làm với độ bền cơ học của mẫu đất ổn định. chất hoạt hóa. Điều này có thể giải thích rằng Qua hai phần III và IV nêu trên, đã khẳng định các chất hoạt hóa như CaO không có trong xi được độ chính xác tương đối của mô hình măng chỉ được sử dụng đủ chủ yếu cho các nhiệt động lực học nhằm nghiên cứu sâu hơn phản ứng hydrat hóa của xi măng, điều này cơ chế của quá trình ổn định đất sử dụng thể hiện rõ khi các oxit CaO tồn tại dưới các pozzolan tự nhiên, xi măng và vôi của Đan đặc tính. sản phẩm khoáng C3S, C2S, C3A, Mạch. C4AF. Do đó, thành phần khoáng pozzolan tự 5. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NHIỆT ĐỘNG nhiên Forsterit và Cristobalit giúp phản ứng HỌC ĐỂ TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ HỖN pozzolan hóa diễn ra, nhưng trong trường hợp HỢP sử dụng xi măng làm chất hoạt hóa thì chỉ hòa tan Cristobalit với hàm lượng rất nhỏ nên hàm Để tìm ra hỗn hợp tối ưu của đất tự nhiên / vôi lượng khoáng C-S-H khác nhau trong trường / xi măng / pozzolan, hàm lượng của từng thành hợp sử dụng pozzolan tự nhiên và không sử phần sẽ được thay đổi. Vôi có ba hàm lượng dụng pozzolan tự nhiên là tương đối nhỏ. Vì 0%, 4% và 10% khối lượng của hỗn hợp. Xi vậy, khi sử dụng xi măng không có vôi làm măng cũng có ba mức 0%, 3% và 10%. chất kích thích tạo thành pozzolan tự nhiên Pozzolan tự nhiên có tám hàm lượng 0%, 5%, 8 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021
9. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 10%, 15%, 20%, 30% và 40%. Thành phần phần trăm của khối lượng đất đã sử dụng được thay đổi để tổng khối lượng vật liệu đã trộn đạt 100 gam. Các vật liệu hỗn hợp này lần lượt được cân bằng bằng các mô hình nhiệt động lực học để xác định hàm lượng khoáng canxi silicat C-S-H và silicat canxi aluminat C-A-S-H. Do đó, thiết kế số lượng hỗn hợp được mô phỏng theo mô hình nhiệt động lực học là 3 x 3 x 7 = 63 hỗn hợp. Kết quả của mô hình được thể hiện trong Hình 2, Hình 3 và Hình 4 dưới đây. Kết quả là, hàm lượng C-S-H và C-A-S-H có trong 100 g hỗn hợp ổn định đất. Hàm lượng này phụ thuộc Hình 3: Kết quả số lượng hàm lượng khoáng vào hàm lượng phần trăm của pozzolan tự C-S-H + C-A-S-H trong 100 g đất ổn định nhiên, vôi và xi măng. Hỗn hợp tối ưu với theo phần trăm pozzolan tự nhiên, xi măng vôi sử dụng 0%, 4% và 10% tương ứng "xi măng tự nhiên / pozzolan = 10/15; 10/20 và và 4% vôi 10/20". Hàm lượng C-S-H + C-A-S-H lớn nhất khi tỷ lệ vôi tự nhiên / xi măng / pozzolan ổn định là 10/10/20. Khi không sử dụng vôi và xi măng, hỗn hợp đất ổn định không tạo ra C-S-H + C-A-S-H mặc dù có sự hiện diện của pozzolan tự nhiên. Hình 4: Kết quả số lượng hàm lượng khoáng C-S-H + C-A-S-H trong 100 g đất ổn định theo phần trăm pozzolan tự nhiên, xi măng và 10% vôi Khi xi măng không được sử dụng trong hỗn hợp ổn định, hàm lượng C S-H + C-A-S-H hoặc liên Hình 2: Kết quả số lượng hàm lượng kết tăng tương ứng theo hàm lượng pozzolan tự khoáng C-S-H + C-A-S-H trong 100 g đất nhiên. Đồng thời, kết quả cũng cho thấy nếu sử ổn định theo phần trăm pozzolan tự nhiên, xi măng và 0% vôi dụng vôi tự nhiên và pozzolan làm vật liệu duy nhất để gia cố đất thì hàm lượng C-S-H + C-A- S-H tương đối nhỏ ở mức 4% vôi hoặc 10% vôi, TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 9
10. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ nên nếu chỉ sử dụng vôi làm kích hoạt phản ứng minh tính đúng đắn của mô hình. pozzolan, cường độ của đất ổn định không phát Mô hình có độ chính xác tương đối cao, có thể triển mạnh mặc dù sử dụng nhiều vôi, điều này ứng dụng làm công cụ hỗ trợ thiết kế ổn định phù hợp với thiết kế ổn định đất của trung tâm đất bằng pozzolan tự nhiên, vôi, xi măng. Từ đó địa kỹ thuật bang Indiana của Hoa Kỳ [12]. giảm chi phí thiết kế bằng cách giảm số lượng 4. KẾT LUẬN VÀ BÌNH LUẬN mẫu, và kiểm tra lẫn nhau về độ chính xác của Bài báo đã xây dựng thành công mô hình kết quả thử nghiệm và mô hình, do đó cải thiện nhiệt động học để giải thích cơ chế ổn định mô hình kỹ thuật số. đất bằng chất kết dính: vôi tự nhiên, xi măng, Do hạn chế của bài báo, nhiều vấn đề nghiên pozzolan tự nhiên. Lý thuyết về cơ chế ổn cứu của cơ chế ổn định đất chưa được làm rõ, định đất đã được xem xét một cách khái quát tích hợp các mô hình nhiệt động lực học như từ đó mô hình nhiệt động lực học đã được đề ảnh hưởng của nhiệt độ, ảnh hưởng của ph, vai xuất để nghiên cứu sâu hơn về cơ chế ổn định trò của xi măng. Trong quá trình phản ứng với đất. Lý thuyết cơ bản của các mô hình nhiệt hàm lượng vôi khác nhau. Đồng thời, thời điểm động lực học cân bằng, cũng như khả năng xảy ra phản ứng dự đoán sự phát triển của ứng dụng của các mô hình trong khoa học vật cường độ theo thời gian. Những vấn đề này đề liệu, đã được trình bày. Bằng cách kiểm soát xuất bài báo cần có những nghiên cứu mô kết quả thí nghiệm cường độ của hỗn hợp phỏng kết hợp với thí nghiệm để nâng cao độ thiết kế “đất / pozzolan tự nhiên / vôi / xi chính xác và mở rộng khả năng mô phỏng của măng”, “đất / pozzolan tự nhiên / xi măng”, các mô hình nhiệt động lực học trong các và “đất / xi măng”, kết quả thí nghiệm đã xác nghiên cứu khác trong tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L. Trotignon, V. Devallois, H. Peycelon, C. Tiffreau, and X. Bourbon, “Predicting the long term durability of concrete engineered barriers in a geological repository for radioactive waste,” Phys. Chem. Earth, vol. 32, pp. 259–274, 2007. [2] N. C. M. Marty, C. Tournassat, A. Burnol, E. Giffaut, and E. C. Gaucher, “Influence of reaction kinetics and mesh refinement on the numerical modelling of concrete/clay interactions,” J. Hydrol., vol. 364, no. 1–2, pp. 58–72, 2009. [3] L. De Windt, D. Pellegrini, and J. Van Der Lee, “Reactive transport modeling of interaction processes between claystone and cement.” [4] L. De Windt, D. Deneele, and N. Maubec, “Kinetics of lime/bentonite pozzolanic reactions at 20 and 50 C: Batch tests and modeling,” Cem. Concr. Res., vol. 59, pp. 34–42, 2014. [5] P. Blanc et al., “Thermoddem: A geochemical database focused on low temperature water/rock interactions and waste materials,” Appl. Geochemistry, 2012. [6] Van Quan Tran, “Contribution à la compréhension des mécanismes de dépassivation des armatures d’un béton exposé à l’eau de mer : théorie et modélisation thermochimique,” Ecole Centrale de Nantes, France, 2016. [7] D. L. Parkhurst and C. A. J. Appelo, “Description of input and examples for PHREEQC 10 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021
11. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Version 3 - A computer program for speciation, batch-reaction, one-dimensional transport, and inverse geochemical calculations,” U.S. Geol. Surv. Tech. Methods, B. 6, chapter A43, 2013. [8] W. Hummel, U. Berner, E. Curti, F. J. Pearson, and T. Thoenen, “Nagra/PSI chemical thermodynamic data base 01/01,” in Radiochimica Acta, 2002. [9] D. L. Parkhurst and C. A. J. Appelo, “User’s Guide To PHREEQC (version 2) - a Computer Program for Speciation, and Inverse Geochemical Calculations,” U.S. Geol. Surv. Water- Resources Investig. Rep., 1999. [10] B. T. Vu et al., “A Geochemical Model for Analyzing the Mechanism of Stabilized Soil Incorporating Natural Pozzolan, Cement and Lime BT - Proceedings of China-Europe Conference on Geotechnical Engineering,” 2018, pp. 852–857. [11] A. A. Amer, T. M. El-Sokkary, and N. I. Abdullah, “Thermal durability of OPC pastes admixed with nano iron oxide,” HBRC J., vol. 11, no. 2, pp. 299–305, 2015. [12] Office of Geotechnical Engineering, “Design Procedures for Soil Modification or Stabilization,” Indiana, 2008. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 65 - 2021 11