VẬT LIỆU ĐẮP NỀN ĐƯỜNG VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG CÁT NHIỄM MẶN ĐỂ ĐẮP NỀN ĐƯỜNG Ô TÔ TẠI VIỆT NAM

• 1. Giới thiệu chung
• 2. Vật liệu san đắp nền đường và khả năng sử dụng cát nhiễm mặn trong làm nền đường
  • 2.1. Vật liệu san đắp nền đường
  • 2.2. Tính chất cát nhiễm mặn
• 3. Thử nghiệm sử dụng cát nhiễm mặn làm nền đường ở Việt Nam
  • 3.1. Khảo sát đặc tính cát nhiễm mặn làm vật liệu san đắp nền đường
  • 3.2. Các phương án đắp thử nghiệm nền đường sử dụng cát nhiễm mặn trong bãi thử
• 4. Kết luận
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt:

     Nhu cầu sử dụng vật liệu đắp cho các công trình xây dựng ngày càng tăng cao, đặc biệt khi việc xây dựng hệ thống đường ở Việt Nam được đẩy mạnh dẫn đến sự thiếu hụt nghiêm trọng các vật liệu truyền thống sử dụng để đắp nền đường. Nghiên cứu cho thấy các mẫu cát nhiễm mặn ở Việt Nam đều đáp ứng các đặc tính yêu cầu theo TCVN 9436:2012 cho vật liệu đắp nền đường. Với hàm lượng muối hòa tan khá cao nhưng vẫn <5% và đều hạt, cát nhiễm mặn có thể xem là vật liệu đắp nền đường thông thường có tính đặc thù. Để đánh giá khả năng làm việc của nền đường cũng như ảnh hưởng của việc sử dụng cát nhiễm mặn đến môi trường xung quanh, nghiên cứu đã đề xuất xây dựng mô hình đắp thử nền đường với 3 phương án sử dụng vật liệu và giải pháp địa kỹ thuật khác nhau như: 1) sử dụng 100% các lớp cát biển đầm chặt; 2) sử dụng ô địa kỹ thuật geocell để gia cố lớp cát biển đầm chặt và 3) đắp xen kẹp các lớp đất đắp truyền thống với lớp cát biển đầm chặt.

1. Giới thiệu chung

     Trong những thập niên vừa qua, nền kinh tế thế giới phát triển ổn định, nhu cầu phát triển cơ sở hạ tầng xây dựng và giao thông phục vụ cho đời sống xã hội cũng như phát triển kinh tế của các nước tăng cao. Vật liệu tự nhiên chất lượng tốt sử dụng trong các công trình xây dựng nói chung cũng như các công trình xây dựng đường ngày càng khan hiếm. Theo ước tính của Chương trình môi trường Liên hợp quốc (UN environment programme), khoảng 40 đến 50 tỉ tấn cốt liệu được khai thác và sử dụng hàng năm trên toàn thế giới [1]. Riêng năm 2016, khoảng 13,7 tỷ tấn cát được khai thác trên thế giới, trong đó ở Châu Á chiếm đến 70% nhu cầu và đặc biệt Trung Quốc cần đến 5 tỷ tấn cát dùng cho xây dựng [2]. Phần lớn cát xây dựng đều được khai thác từ nguồn cát sông đang dẫn đến nhiều hậu quả như sụt lún ven bờ, ô nhiễm môi trường, lũ lụt… Thậm chí nhiều khu vực trên thế giới không còn các loại cát chất lượng tốt để phục vụ cho các lĩnh vực xây dựng cơ bản. Ở Việt Nam, theo số liệu điều tra của Bộ Xây dựng cho thấy nhu cầu cát xây dựng từ năm 2016 đến 2020 cần 2,1 đến 2,3 tỉ m3 cát. Trong khi đó, trữ lượng khả năng khai thác chỉ hơn 2 tỉ m3. Nguồn cát xây dựng ở nước ta ngày càng cạn kiệt [3].
     Sự thiếu hụt cát sông đã dẫn đến nhu cầu sử dụng cát nhiễm mặn và cát nhân tạo tăng nhanh ở nhiều nước. Nước Anh khai thác hàng năm khoảng 13 triệu tấn cát và sỏi nhiễm mặn để sử dụng trong các công trình xây dựng. Các nước Châu Âu khác cũng đã sử dụng khoảng 6-7 triệu tấn cốt liệu nhiễm mặn hàng năm [4-5]. Khoảng hơn 90% lượng cát biển được khai thác là sử dụng làm vật liệu cho các công trình xây dựng, trong đó hơn 45% được sử dụng làm cốt liệu cho sản xuất bê tông. Các công trình xây dựng hạ tầng ở Anh, sân bay ở Hồng Kông, mở rộng thành phố ở Singapore và các đại công trình ở Trung Đông là những dự án tiêu biểu sử dụng cát biển thay thế cát sông truyền thống làm vật liệu xây dựng [5,6,7]. Riêng dự án đường cao tốc Bắc- Nam phía Đông của Việt Nam giai đoạn 2017- 2020 có nhu cầu về đất đắp nền đường khoảng 72 triệu m3, nhưng đến nay các mỏ đất chỉ mới đáp ứng khoảng 63% nhu cầu [9]. Thực hiện chỉ đạo của Thủ tướng Chính phủ tại buổi kiểm tra hiện trường thi công các dự án thành phần thuộc Dự án đầu tư xây dựng một số đoạn đường bộ cao tốc trên tuyến Bắc - Nam phía Đông giai đoạn 2017-2020 và Dự án đường cao tốc Mỹ Thuận - Cần Thơ ngày 06/02/2022 về việc nghiên cứu sử dụng cát biển làm vật liệu đắp nền đường sử dụng cho các dự án xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông tại khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long, Bộ GTVT đã đồng ý chủ trương triển khai nghiên cứu thí điểm sử dụng cát biển làm vật liệu đắp nền đường sử dụng cho các dự án đầu tư xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông tại khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long. Với chiều dài 3.260km bờ biển bao bọc lãnh thổ theo ba hướng Đông, Nam và Tây Nam; 1 triệu km2 diện tích vùng biển đặc quyền kinh tế rộng gấp 3 lần đất liền và hơn 3.000 hòn đảo lớn nhỏ trải dài trên 28 tỉnh thành phố, Việt Nam là quốc gia có lợi thế về biển. Trữ lượng cát biển và cát đụn ven biển của nước ta rất lớn. Đây là nguồn vật liệu địa phương dồi dào có thể thay thế vật liệu truyền thống trong xây dựng, đặc biệt là vật liệu san đắp nền, nền đường với nhu cầu rất lớn hiện nay.

2. Vật liệu san đắp nền đường và khả năng sử dụng cát nhiễm mặn trong làm nền đường

2.1. Vật liệu san đắp nền đường

     Đất, đá là vật liệu chủ yếu để xây dựng nền đường. Kết cấu của nền mặt đường và sự làm việc của công trình đường phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của đất. Trong xây dựng nền đường, để hạ giá thành xây dựng thường dùng loại đất tại chỗ để đắp nền đường. Cường độ và độ ổn định của nền phụ thuộc vào loại đất và cường độ của đất.
     Cỡ hạt đất càng lớn thì đất có cường độ càng cao, tính mao dẫn càng thấp, tính thấm và thoát nước tốt, ít hoặc không nở khi gặp nước cũng như ít hoặc không co khi khô. Những tính chất này khiến cho loại đất chứa nhiều cỡ hạt lớn có tính ổn định nước tốt, tuy nhiên nó có nhược điểm lớn là tính dính và tính dẻo kém và ngược lại, cỡ hạt đất càng nhỏ thì tính dính và tính dẻo tốt nhưng tính ổn định nước kém. Theo TCVN 5747-1993 [10], vật liệu sử dụng để đắp nền được được phân loại theo kích cỡ hạt thành các nhóm vật liệu: đất, cát và đất dính. Đặc tính của vật liệu đắp nền ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu tải, khả năng thoát nước cũng như khả năng đầm chặt của nền đường. Việc đánh giá đặc tính cũng như chất lượng của vật liệu đắp cần tuân thủ theo các tiêu chuẩn hiện hành trong và ngoài nước. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9436:2012 [11] thì vật liệu sử dụng để đắp nền đường cần thoả mãn các yêu cầu chính sau:
     - Không sử dụng loại đất bùn, đất than bùn;
     - Không sử dụng loại đất mùn lẫn hữu cơ có thành phần hữu cơ quá 10%, đất có lần cỏ và rễ cây, lẫn các loại rác sinh hoạt;
     - Đất lẫn các thành phần muối dễ hoà tan quá 5% (cách xác định theo phụ lục D)
     - Đất sét có độ trương nở cao vượt quá 3%;
     - Đất sét nhóm A-7-6 (theo AASHTO M145 [8]) có chỉ số nhóm từ 20 trở lên;
     - Khi không có các loại đất khác, phải có biện pháp cải tạo các loại đất nói trên để dùng làm vật liệu đắp nền đường như: loại bỏ các thành phần bất lợi, xử lý đất xấu bằng cách trộn thêm vôi, trộn thêm cát hoặc áp dụng các biện pháp tăng thêm độ chặt đầm nén, hạn chế nước thấm nhập...Các biện pháp nói trên phải được đánh giá thông qua thử nghiệm ở trong phòng, ở hiện trường và phải được phê duyệt theo các quy định về quản lý dự án.
     - Không được dùng đất bụi nhóm A-4 và A-5 (theo phân loại ở AASHTO M145) để xây dựng các bộ phận nền đường dưới mức nước ngập hoặc mức nước ngầm và không nên dùng chúng trong phạm vi khu vực tác dụng của nền đường.
     - Vật liệu đắp nền phải có sức chịu tải CBR nhỏ nhất như qui định tại Bảng 1.

2.2. Tính chất cát nhiễm mặn

     Nghiên cứu của Gutt và Collins [12] đã khẳng định rằng nguồn gốc địa chất của cát biển cũng giống như cát sông. Sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ tia X và phân tích thành phần khoáng gần đây cũng cho kết quả tương tự [13, 14]. Nhưng cấu tạo bề mặt hạt của cát biển có sự khác biệt so với cát sông, cát mỏ dẫn đến có sự khác biệt về nội ma sát từ đó ảnh hưởng đến sản phẩm sử dụng cát biển làm vật liệu thành phần. Kết quả phân tích thành phần hạt của cát biển được tổng hợp từ nhiều nghiên cứu trên Hình 1 cho thấy phân bố thành phần hạt của tất cả các mẫu cát biển đều nằm trong hoặc gần với khoảng qui định của vật liệu cốt liệu mịn sử dụng cho bê tông của các nước. Cát biển chứa nhiều muối, vỏ sò và các tạp chất có hại khác hơn so với cát sông [15]. Nghiên cứu của Newman [16] cho thấy hàm lượng hạt vỏ sò bị vỡ hoặc chưa vỡ là thành phần chính tạo nên sự khác biệt giữa cát biển và cát sông. Cát biển có khối lượng riêng lớn hơn cát sông do thành phần hoá cơ bản của các hạt từ vỏ sò là CaCO3. Những mảnh vảy của vỏ sò vỡ có cường độ, độ bền và độ đặc chắc cao.
     Dữ liệu thí nghiệm các đặc tính của cát nhiễm mặn ở Việt Nam vẫn còn khá khiêm tốn, đặc biệt đối với việc sử dụng cát nhiễm mặn làm nền đường. Các nghiên cứu sử dụng cát nhiễm mặn ở nhiều khu vực bờ biển Việt Nam [17, 18, 19] cho thấy có thể sử dụng cát nhiễm mặn để chế tạo sản xuất bê tông có cường độ nén trong khoảng 30-35 MPa với nhiều triển vọng và hiệu quả cao. Nhìn chung, cát biển ở nước ta có hàm lượng tạp chất đất mùn lẫn tạp chất hữu cơ khá thấp (<10%), đặc biệt hàm lượng muối dễ hòa tan và chỉ số CBR đều thỏa mãn yêu cầu của vật liệu làm nên đường theo TCVN 9436:2012 [20] (Bảng 2).

3. Thử nghiệm sử dụng cát nhiễm mặn làm nền đường ở Việt Nam

3.1. Khảo sát đặc tính cát nhiễm mặn làm vật liệu san đắp nền đường

     06 mẫu cát nhiễm mặn đại diện cho khu vực phía bắc (Hải Phòng, Nam Định), Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa và Quảng Bình) và Nam Trung Bộ (Đà Nẵng và Khánh Hòa) được nhóm đề tài thực hiện xác định các tính chất cơ bản nhằm đánh giá khả năng sử dụng làm vật liệu san đắp nền đường. Các kết quả thực nghiệm được đưa ra trên Bảng 3. Kết quả phân tích thành phần hạt cho thấy cấp phối thành phần hạt chủ yếu tập trung ở cấp hạt từ 0,25 đến 0,425 mm cho các mẫu cát ở Miền Trung. Trong khi đó các mẫu cát ở Miền Bắc thì tập trung ở cấp hạt dưới 0,25 mm, và đặc biệt hàm lượng hạt mịn (<0,075 mm) của cát biển Miền Bắc lớn hơn rất nhiều so với cát biển Miền Trung (Bảng 3-1). Theo phân loại đất của AASHTO M145 thì các mẫu cát Miền Bắc thuộc nhóm A-2 còn các mẫu cát Miền Trung thuộc nhóm A-3. Tất cả các mẫu cát đều có chỉ số CBR vượt xa giá trị yêu cầu cho vật liệu đắp nền đường phù hợp để sử dụng làm vật liệu đắp nền đường theo TCVN 9436:2012 (CBR>6). Hàm lượng muối hòa tan trong các mẫu cát biển đều thấp hơn 5% (là giá trị yêu cầu của vật liệu đắp nền đường theo TCVN 9436:2012) (Bảng 3-2).
     Hiện nay, nhiều công trình đường ở nước ta đã sử dụng cát sông hạt mịn (cát đen) đắp nền, thậm chí các nền đường cao tốc chất lượng cao như Dự án Đường ô tô cao tốc Hà Nội – Hải Phòng đã sử dụng cát đen để đắp nền đường với khối lượng rất lớn. Để làm căn cứ so sánh bước đầu các tính chất cơ lý của cát nhiễm mặn dùng để đắp nền đường, các số liệu yêu cầu kỹ thuật và số liệu thí nghiệm thực tế của cát sông đã sử dụng đắp nền đường cho Dự án Đường ô tô cao tốc Hà Nội – Hải Phòng được tập hợp ở Bảng 4. Các kết quả cho thấy thành phần hạt của cát sông khu vực Miền Bắc thuộc nhóm A-3, gần tương tự như các mẫu cát biển Nam Trung Bộ với hàm lượng hạt mịn < 0,075 mm dưới 10%. Chỉ số CBR và khối lượng thể tích đầm chặt lớn nhất của cát sông và cát biển là tương đương nhau. Điều khác biệt rõ nét giữa cát sông và cát biển chính là độ ẩm tối ưu để đầm chặt của cát sông lớn hơn cát biển (Khoảng 16-18% so với 12,5-14,4%). Điều này có thể do bởi đặc tính hạt cát biển tròn và bề mặt trơn nhẵn hơn so với cát sông. Và tất nhiên, hàm lượng muối hòa tan trong mẫu cát biển sẽ cao hơn nhiều so với cát sông nhưng vẫn thấp hơn mức 5% theo qui định của TCVN 9436:2012. Điều này cho thấy có thể xem cát nhiễm mặn là vật liệu đắp nền đường thông thường có tính đặc thù.
     Với những đặc thù riêng của cát nhiễm mặn như hàm lượng muối hòa tan cao, cấp phối thành phần hạt hẹp, để có thể sử dụng cát nhiễm mặn đắp nền đường ô tô cần quan tâm đến những vấn đề kỹ thuật sau:
     - Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu đầu vào của cát nhiễm mặn: thành phần hạt, hàm lượng muối hòa tan, độ đầm chặt tối ưu, CBR…;
     - Thiết kế giải pháp đắp thử nghiệm: các phương án sử dụng cát nhiễm mặn và vật liệu truyền thống, phương án mái taluy, thoát nước…;
     - Thi công thử nghiệm thực tế;
     - Tiến hành thí nghiệm hiện trường, công tác quan trắc: thí nghiệm khả năng lu lèn, khả năng chịu tải của nền đường, đánh giá tác động môi trường (thoát muối ra môi trường xung quanh)…

3.2. Các phương án đắp thử nghiệm nền đường sử dụng cát nhiễm mặn trong bãi thử

     Để bước đầu đánh giá khả năng sử dụng cát nhiễm mặn làm vật liệu đắp nền đường thay thế vật liệu đắp truyền thống, đề tài đề xuất xây dựng phương án đắp thử nền đường trong bãi thử với các phương án đắp như sau:
Phương án 1: Đắp 100% cát nhiễm mặn. Chiều dày các lớp cát nhiễm mặn từ 300-500 mm được lu lèn đến độ chặt k= 95. Đáy và mặt nền được đắp bằng đất đắp truyền thống với chiều dày lớp đắp 300 mm, lu lèn đến k= 95.
Phương án 2: Đắp 100% cát nhiễm mặn có gia cố tấm Geocell. Chiều dày các lớp cát nhiễm mặn từ 300-500 mm, được gia cố bằng tấm nhựa Geocell dạng ô ngăn GC1044 và lu lèn đến độ chặt k= 95. Đáy và mặt nền được đắp bằng đất đắp truyền thống với chiều dày lớp đắp 300 mm, lu lèn đến k= 95.
     Phương án 3: Đắp xen kẹp cát nhiễm mặn và đất đắp truyền thống. Chiều dày các lớp cát nhiễm mặn từ 300-500 mm được lu lèn đến độ chặt k= 95. Bề mặt lớp cát nhiễm mặn đã được lu lèn sẽ phủ vải địa kỹ thuật. Sau đó đắp xen kẹp bằng lớp đất đắp truyền thống với chiều dày lớp đắp 300 mm, lu lèn đến k= 95. Đáy và mặt nền được đắp bằng đất đắp truyền thống với chiều dày lớp đắp 300 mm, lu lèn đến k= 95.
Toàn bộ đoạn nền đường thử nghiệm trong bãi thử sẽ được phủ 200 mm bề mặt cấp phối đá dăm và đắp mái taluy bằng đất đắp. Quá trình thi công sẽ được thí nghiệm độ chặt k hiện trường, mô đun chịu tải E của nền đường và theo dõi ảnh hưởng của muối hòa tan ra môi trường xung quanh theo thời gian.

4. Kết luận

     Các kết quả phân tích trong báo cáo này cho thấy các mẫu cát cát nhiễm mặn chủ yếu thuộc nhóm A-2 và A-3 theo AASHTO M145, lượng muối hào tan < 5%, hàm lượng hữu cơ <10% phù hợp loại đất đắp nền đường theo TCVN 9436:2012.
     Cát nhiễm mặn có cấp phối thành phần hạt khá hẹp với phân bố kích thước hạt tập trung trong khoảng 0,25 đến 0,075 mm đối với cát biển miền Bắc và khoảng 0,425 đến 0,25 cho cát biển miền Trung. Cát biển ở khu vực phía Bắc có hàm lượng hạt mịn < 0,075 thậm chí lớn hơn 25% trong khi cát biển miền Trung có hàm lượng hạt mịn < 5%, thậm chí không có hàm lượng hạt mịn này (Cát vùng bắc trung bộ). Chỉ số CBR và khối lượng thể tích lớn nhất của cát nhiễm mặn hoàn toàn tương đương với các chỉ số của cát sông đã được sử dụng để đắp nền cho đường cao tốc Hà Nội- Hải Phòng. Vì vậy, có thể xem cát nhiễm mặn là vật liệu đắp nền đường thông thường có tính đặc thù.
     Với tính đặc thù riêng của cát nhiễm mặn như đều hạt và hàm lượng muối hòa tan cao, việc xây dựng 03 mô hình đắp thử nền đường với các phương án sử dụng vật liệu, các giải pháp địa kỹ thuật khác nhau từ đó đánh giá khả năng làm việc của nền đường cũng như ảnh hưởng của việc sử dụng cát nhiễm mặn đến môi trường xung quanh của nền đường là cần thiết./.

Tài liệu tham khảo

1. L. Gallagher and P. Peduzzi, Sand and Sustainability: Finding new solutions for environmental governance of global sand resources, 2019.
2. The economist, An improbable global shortage: sand, 2017.
3. https://vietnamnet.vn/den-nam-2020-du-bao-khong-con-cat-de-xaydung-388984.html
4. http://www.bmapa.org/uses/construction.php
5. P. Peduzzi, Sand, rarer than one thinks. Environmental Development, 11, 208-218, 2014.
6. J. Limeira, L. Agulló, M. Etxeberria, Dredged marine sand as a new source for construction materials, Mater. D. Constr. 62 (305) 7-24, 2012.
7. http://www.marineaggregates.info/marine-aggregates-in-structuralconcrete.html
8. AASHTO M145-91 (2021) Standard Specification for Classification of Soils and Soil-Aggregate Mixtures for Highway Construction Purposes.
9. https://tuoitre.vn/ap-dung-co-che-dac-thu-de-som-du-dat-lamduong-cao-toc-bac-nam- 20210616155153867.htm
10. TCVN 5747:1993 Đất xây dựng- Phân loại
11. TCVN 9436:2012 Nền đường ô tô- Thi công và nghiệm thu
12. W. Gutt, R.J. Collins, Sea-dredged aggregates in concrete, Build. Res. Establish Watford, UK (7), 1987.
13. S. Hasdemir, A. Tugrul, M. Yilmaz, The effect of natural sand composition on concrete strength, Constr. Build. Mater. 112, 940–948, 2016
14. W. Liu, Y.J. Xie, B.Q. Dong, F. Xing, Study on the characteristics of dredged marine sand and the mechanical properties of concrete made with dredged marine sand, Bull. Chin. Ceram. Soc. 33 (1) 15–22 (in Chinese), 2014.
15. Jianzhuang Xiao, Chengbing Qiang, Antonio Nanni, Kaijian Zhang, Review- Use of sea-sand and seawater in concrete construction: Curent status and future opportunities, Constr. Build. Mater. 155, 1101–1111, 2017.
16. K. Newman, Sea-dredged aggregates for concrete, in: Proceedings of the Symposium: Sea-dredged Aggregates for Concrete, Sand and Gravel Association Great Britain, Buckinghamshire, UK, 1968.
17. Trần Tuấn Hiệp, Võ Xuân Lý, Lê Văn Bách, Nghiên cứu sử dụng cát biển và nước biển và nước nhiễm mặn làm bê tông xi măng trong xây dựng đường ô tô và công trình phòng hộ ven biển vùng đồng bằng Nam bộ, Tạp chí Giao thông Vận tải, Số tháng 6, 2002.
18. Hoàng Minh Đức, Nguyễn Kim Thịnh, Nghiên cứu sử dụng cát đụn tại chỗ làm đường bê tông xi măng trên đảo Phú Quốc, Tạp chí KHCN Xây dựng, Số tháng 3, 2017.
19. Lê Văn Bách, Nghiên cứu sử dụng cát biển Bình Thuận và Vũng Tàu làm bê tông xi măng trong xây dựng đường ô tô. Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật, Đại học Giao Thông Vận Tải, 175 trang, 2006.
20. Nguyễn Văn Thành (2014). Nghiên cứu khả năng sử dụng vật liệu cát biển tự nhiên trong xây dựng nền đường ven biển Hà Tĩnh, Luận văn cao học, Trường Đại học Xây dựng.

Nguồn: TẠP CHÍ KHOA HỌC KIẾN TRÚC - XÂY DỰNG. SỐ 45-2022