Luận án Nghiên cứu cải tạo đất bazan bằng hỗn hợp puzolan – xi măng – vôi làm tường nghiêng chống thấm đập đất vùng Tây Nguyên

3 19-21 60 29-31 21-23 8-10 
Bảng 2-10. Tổng hợp phân tích thành phần khoáng vật bằng Rơnghen 
Ký hiệu mẫu Thành phần khoáng vật và hàm lượng, % 
Vị trí 
Độ sâu 
mẫu, m 
Augit Forsterit 
Thạch 
anh 
Hematit Cristobalit Lepidocrocit Albit 
QP1.1 10-10,5 29 23 4 11 1 5 27 
QP1.2 2,0-2,5 28 22 5 11 2 6 26 
QP2.1 4,5-5,0 26 24 6 13 2 4 25 
QP2.2 1,5-2,0 27 23 6 12 1 5 26 
Đ52.2 4,0-4,5 25 24 5 13 3 3 27 
BC1 1,5-2,0 24 24 7 10 2 5 28 
 Đặc điểm thành phần hóa học 2.5.3.3
Lấy mẫu puzolan tại vị trí nghiên cứu ở tỉnh Đắk Nông để thí nghiệm thành 
phần hoá học ta có kết quả như Bảng 2-12. Tổng hàm lượng (Si2O + Al2O3 + Fe2O3) 
của các mẫu có giá trị trung bình là 73,60% lớn hơn giá trị yêu cầu theo ASTM 
C618-03 là 70% [139], không chứa hàm lượng hữu cơ. Hàm lượng [SO3
-] đều nhỏ 
hơn 1%. Hàm lượng các thành phần thủy tinh khá cao nên có thể cho rằng các mẫu 
đá bazan được khảo nghiệm đều có tính chất puzolan. 
64 
Bảng 2-11. Tổng hợp kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý mẫu puzolan tự nhiên 
Số hiệu 
Độ sâu 
Độ ẩm Khối lượng thể tích Khối 
lượng 
riêng 
Tỷ 
lệ 
khe 
hở 
Độ 
rỗng 
Cường độ kháng 
nén 
Hệ 
số 
biến 
mềm 
Thí nghiệm 
Hiện 
trường 
Vị trí 
Tự nhiên 
Bão 
hòa 
Tự 
nhiên 
Khô Bão hòa Khô Bão hòa 
Wtn Wbh tn c bh s e n 
 
m % % g/cm
3
 g/cm
3
 g/cm
3
 g/cm
3
% kG/cm
2
 kG/cm
2
1. Mỏ Quảng Phú 1, xã Quảng Phú, Krong Nô, Đắk Nông 
M1 QP1.1 Chân mỏ 10,0-10,5 4,34 11,33 1,52 1,46 1,62 2,84 0,95 48,71 70,3 35,80 0,51 
M2 QP1.2 Sườn mái 2,0-2,5 2,05 5,43 2,02 1,98 2,09 2,85 0,44 30,55 156,4 130,6 0,84 
M3 QP1.3 Chân mỏ 5,0-5,5 2,41 7,93 1,88 1,84 1,98 2,85 0,55 35,52 125,8 90,00 0,72 
Gía trị trung bình 2,93 8,23 1,81 1,76 1,90 2,85 0,65 38,26 117,5 85,47 0,69 
2. Mỏ Quảng Phú 2, xã Quảng Phú, Krong Nô, Đắk Nông 
M4 QP2.1 Chân mỏ 4,5-5,0 3,87 10,53 1,51 1,45 1,61 2,85 0,96 48,99 68,3 34,1 0,50 
M5 QP2.2 Sườn mái 1,5-2,0 4,23 13,2 1,43 1,37 1,55 2,83 1,06 51,52 94,5 57,3 0,61 
M6 QP2.3 Sườn mái 0,5-1,0 1,97 6,32 1,97 1,93 2,05 2,85 0,48 32,21 136,2 107,4 0,79 
Gía trị trung bình 3,36 10,02 1,64 1,59 1,74 2,84 0,83 44,24 99,7 66,27 0,63 
3. Mỏ Đèo 52, xã Quảng Phú, Krong Nô, Đắk Nông 
M7 Đ52.1 Sườn mái 2,0-2,5 3,9 11,6 1,43 1,38 1,54 2,84 1,06 51,54 83,7 38,6 0,46 
M8 Đ52.2 Chân mỏ 4,0-4,5 2,84 9,9 1,83 1,78 1,96 2,83 0,59 37,12 101,5 67,2 0,66 
M9 Đ52.3 Sườn mái 0,5-0,8 2,13 7,2 1,92 1,88 2,02 2,85 0,52 34,04 112,1 83,4 0,74 
Gía trị trung bình 2,96 9,57 1,73 1,68 1,84 2,84 0,72 40,90 99,1 63,07 0,62 
4. Mỏ Buôn Choáh, xã Buôn Choáh, Krong Nô, Đắk Nông 
M10 BC1 Chân mỏ 1,5-2,0 1,26 5,7 1,92 1,90 200 2,84 0,50 33,24 175,0 139,2 0,80 
M11 BC2 Sườn mái 0,5-1,0 2,97 7,1 1,64 1,59 171 2,85 0,79 44,12 112,3 72,1 0,64 
M12 BC3 Chân mỏ 2,5-3,0 3,41 10,4 1,52 1,47 1,62 2,85 0,94 48,43 65,3 30,7 0,47 
Gía trị trung bình 2,55 7,73 1,69 1,65 1,78 2,85 0,74 41,93 117,5 80,67 0,64 
65 
Mẫu puzolan bột cho tác dụng với kiềm cũng như với vôi, kết quả thí nghiệm cho 
thấy khả năng đông cứng rất rõ rệt. Như vậy, kết quả phân tích ban đầu cho thấy, chất 
lượng puzolan tự nhiên đủ chất lượng để cải tạo đất. 
Hình 2.11, trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu puzolan, kết quả cho thấy: 
Trên giản đồ xuất hiện một lượng khá lớn pha vô định hình (thủy tinh), đây là pha 
quyết định hoạt tính của puzolan. Đối với puzolan có nguồn gốc tuff bazan, pha vô 
định hình thường rất lớn (có khi đạt tới 60%), các pha kết tinh (quartz, plagioclaz, 
pyroxen, olivin, v.v...) chiếm khoảng 20% - 30% và thường bị biến dạng rất mạnh nên 
tuff bazan có hoạt tính puzolan cao. Thành phần pha tinh thể chủ yếu trong puzolan là 
SiO2 tự do ở dạng quartz (α – SiO2), với píc nhiễu xạ đặc trưng tại 2 = 26,7
0
. Ngoài 
ra, một lượng nhỏ caldecahydrit (CaO.Al2O3.10H2O) với pic nhiễu xạ đặc trưng tại 2 
= 12,5
0
 cũng được phát hiện. Một số hình ảnh phân tích thành phần hóa học của 
puzolan tự nhiên, như ở Hình 2.12, Hình 2.13 
Hình 2.11. Giản đồ XRD của mẫu puzolan 
 Hoạt tính của puzolan 2.5.3.4
Hoạt tính các mẫu puzolan tự nhiên được đánh giá thông qua độ hút vôi và chỉ số 
hoạt tính cường độ đối với xi măng. Kết quả thí nghiệm độ hút vôi của các mẫu cho 
thấy độ hút vôi của mẫu puzolan tự nhiên đạt độ hút vôi trung bình 78,37 mg CaO/g > 
30 mg CaO/g [53], chỉ số hoạt tính cường độ đối với xi măng đạt 81,44% > [75%], 
[70]. Kết quả phân tích cho thấy puzolan tự nhiên khu vực nghiên cứu đảm bảo độ 
hoạt tính. 
66 
Bảng 2-12. Tổng hợp kết quả thí nghiệm chỉ tiêu hóa học mẫu puzolan tự nhiên 
TT 
Số 
hiệu 
mẫu 
TN 
Hiện 
trường 
Độ sâu 
mẫu 
Vị trí lấy 
mẫu 
 SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO Tổng SO3 Nguồn gốc mẫu 
1 M1 QP1.1 10,0-10,5 Chân mỏ 45,53 13,02 13,21 9,1 9,0 89,9 0,05 
Mỏ Quảng Phú 1, xã 
Quảng Phú, Krong 
Nô, Đắk Nông 
2 M2 QP1.2 2,0-2,5 Sườn mái 47,95 12,34 12,80 8,8 10,4 92,3 0,09 
3 M3 QP1.3 5,0-5,5 Chân mỏ 46,66 12,7 13,72 9,2 8,8 91,1 0,08 
4 M4 QP2.1 4,5-5,0 Chân mỏ 46,23 14,1 12,73 8,7 7,8 89,6 0,09 
Mỏ Quảng Phú 2, xã 
Quảng Phú, Krong 
Nô, Đắk Nông 
5 M5 QP2.2 1,5-2,0 Sườn mái 45,83 12,28 13,92 9,0 7,4 88,5 0,07 
6 M6 QP2.3 0,5-1,0 Sườn mái 47,39 12,98 14,21 7,8 8,9 91,3 0,09 
7 M7 Đ52.1 2,0-2,5 Sườn mái 47,28 14,55 11,93 8,2 7,3 89,3 0,07 
Mỏ Đèo 52, xã Quảng 
Phú, Krong Nô, Đắk 
Nông 
8 M8 Đ52.2 4,0-4,5 Chân mỏ 46,28 13,28 15,32 9,8 8,5 93,2 0,04 
9 M9 Đ52.3 0,5-0,8 Sườn mái 42,34 15,32 14,82 12,3 10,3 95,1 0,11 
10 M10 BC1 1,5-2,0 Chân mỏ 44,43 12,83 14,52 10,2 8,3 90,3 0,03 
Mỏ Buôn Choáh, xã 
Buôn Choáh, Krong 
Nô, Đắk Nông 
11 M11 BC2 0,5-1,0 Sườn mái 47,29 13,2 13,29 11,8 9,2 94,8 0,04 
12 M12 BC3 2,5-3,0 Chân mỏ 48,23 14,28 16,43 13,2 7,3 99,5 0,04 
67 
Hình 2.12. Giản đồ phân tích thành phần kim loại của mẫu puzolan bằng 
kỹ thuật EDX 
a, Ảnh quang học b, Ảnh SEM c, Ảnh BSE 
Hình 2.13. Phân tích thành phần hóa học của puzolan theo kỹ thuật EDX 
2.5.4 Nhận xét 
Qua công tác khảo sát và lấy mẫu, thí nghiệm phân tích tính chất cơ - lý, thành 
phần khoáng hóa, độ hút vôi và chỉ số hoạt tính cường độ đối với xi măng, một số 
nhận xét về puzolan tự nhiên tại khu vực nghiên cứu như sau: 
- Nguồn puzolan tự nhiên tại vùng nghiên cứu chủ yếu nằm trong vỏ phong hóa 
bazan với tổng hàm lượng các chất khoáng hóa yêu cầu đối với chất kết dính có thể 
làm phụ gia là si líc ô xít, nhôm ô xít và sắt ô xít đều lớn hơn 70%, phù hợp với 
tiêu chuẩn ASTM C618-03 [139]. Độ hút vôi của puzolan tự nhiên đạt độ hoạt tính 
trung bình. Các mẫu puzolan tự nhiên đều đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của 
phụ gia hoạt tính trong sản xuất xi măng và làm chất kết dính để cải tạo đất tại chỗ. 
68 
Tuy nhiên, puzolan tự nhiên tại khu vực nghiên cứu tồn tại ở dạng đá ong, phải 
nghiền mịn trước khi sử dụng mới có hoạt tính (Bảng 2-13). 
Kết quả đánh giá puzolan tự nhiên đủ điều kiện làm chất kết dính và phụ gia là 
cơ sở cơ bản để tiến hành nghiên cứu trộn puzolan tự nhiên, xi măng, vôi để gia cố cải 
tạo đất bazan làm vật liệu chống thấm cho đập đất. 
Bảng 2-13. Tổng hợp kết quả thí nghiệm chỉ số độ hoạt tính với xi măng và cường độ 
hoạt tính 
TT 
Số 
hiệu 
Hiện 
trường 
Độ sâu 
mẫu, m 
Vị trí lấy 
mẫu 
Độ hút vôi, 
mgCaO/g 
Chỉ số 
hoạt 
tính với 
xi măng, 
% 
Nguồn gốc mẫu 
1 M1 QP1.1 10,0-10,5 Chân mỏ 65,98 82,6 Mỏ Quảng Phú 
1, xã Quảng 
Phú, Krong Nô, 
Đắk Nông 
2 M2 QP1.2 2,0-2,5 Sườn mái 68,54 81,4 
3 M3 QP1.3 5,0-5,5 Chân mỏ 78,64 81,0 
4 M4 QP2.1 4,5-5,0 Chân mỏ 81,13 83,0 Mỏ Quảng Phú 
2, xã Quảng 
Phú, Krong Nô, 
Đắk Nông 
5 M5 QP2.2 1,5-2,0 Sườn mái 85,65 80,2 
6 M6 QP2.3 0,5-1,0 Sườn mái 72,61 82,2 
7 M7 Đ52.1 2,0-2,5 Sườn mái 79,65 78,7 Mỏ Đèo 52, xã 
Quảng Phú, 
Krong Nô, Đắk 
Nông 
8 M8 Đ52.2 4,0-4,5 Chân mỏ 82,50 85,4 
9 M9 Đ52.3 0,5-0,8 Sườn mái 86,67 81,4 
10 M10 BC1 1,5-2,0 Chân mỏ 82,68 79,8 Mỏ Buôn 
Choáh, xã Buôn 
Choáh, Krong 
Nô, Đắk Nông 
11 M11 BC2 0,5-1,0 Sườn mái 76,82 81,8 
12 M12 BC3 2,5-3,0 Chân mỏ 79,62 79,8 
13 Trung bình 78,37 81,44 
2.6 Cơ sở lựa chọn cấp phối thí nghiệm 
2.6.1 Hàm lượng xi măng 
Tỷ lệ xi măng dùng để cải tạo đất chủ yếu phụ thuộc vào nhóm đất (phân loại 
đất). Theo tài liệu công binh Mỹ [126] phân loại đất theo tiêu chuẩn AASHTO M 145 
và hiệp hội gia cố xi măng Mỹ (Portlan Cement Asscociation) [114] đề xuất lượng xi 
69 
măng tối thiểu cần cho cải tạo đất, được thể hiện trong Bảng 2-14. Trong bảng này, 
lượng xi măng được tính theo tỷ lệ % so với khối lượng đất cải tạo. Từ kết quả nghiên 
cứu trong phòng cho thấy, đất tại khu vực nghiên cứu thuộc nhóm A-7 (AASHTO) hay 
nhóm MH (USCS), hàm lượng xi măng cần dùng 10-16%, tỷ lệ này thay đổi tùy theo 
yêu cầu chất lượng cải tạo. 
Bảng 2-14. Hàm lượng xi măng cần thiết để cải tạo đất 
TT 
Nhóm đất 
phân loại theo 
AASHTO 
Tỷ lệ xi măng 
(%) theo khối 
lượng của đất 
Tỷ lệ xi măng 
(%) theo khối 
lượng thể tích đất 
đầm chặt 
Khối lượng xi 
măng (kg) cho 1 
đơn vị thể tích đất 
đầm chặt 
1 A-1-a 3-5 5-7 80-110 
2 A-1-b 5-8 7-8 110-130 
3 A-2-4 
5-9 7-9 110-140 
A-2-5 
A-2-6 
A-2-7 
4 A-3 7-11 8-11 130-180 
5 A-4 7-12 8-11 130-180 
6 A-5 8-13 8-11 130-180 
7 A-6 9-15 9-13 140-210 
8 A-7 10-16 9-13 140-210 
Cục Công binh Mỹ (USA Army, 1987) [142] khuyến nghị lựa chọn hàm lượng xi 
măng dựa vào loại đất được phân loại theo tiêu chuẩn USCS, như thể hiện trong Bảng 
2-15 
Kết quả nghiên cứu của Nguyễn Hữu Trí [44], đã chỉ ra rằng cường độ kháng 
nén 28 ngày trạng thái bão hòa của đất bazan gia cố 6% đến 8% xi măng đạt từ 0,54 
MPa đến 0,80 MPa; Cường độ kháng nén 28 ngày trạng thái bão hòa của đất bazan gia 
cố 6% đến 8% xi măng và 20% đá dăm đạt từ 0,7 MPa đến 0,82 MPa. Kết cấu mặt 
đường gồm lớp đất bazan gia cố 20% đá dăm và 6% đến 8% xi măng, sau đó găm đá 
dăm láng nhựa đáp ứng yêu cầu đường giao thông nông thôn có lưu lượng giao thông 
thấp như cấp A trong 22TCN 210-92, hoặc loại B, C trong TCVN 31080-2014. Hàm 
lượng xi măng hợp lý trong gia cố là: 6-8% [15]. 
70 
Như vậy, đất tại KVNC thuộc nhóm A-7-5, theo các kết quả trong và ngoài 
nước thì lượng xi măng cần sử dụng từ 6%-16% (chỉ dùng xi măng). Tuy nhiên, để có 
thể lựa chọn được hàm lượng hợp lý khi phối trộn cùng chất kết dính khác, tác giả sẽ 
chọn khoảng từ 0-16% để nghiên cứu. 
Bảng 2-15. Hàm lượng xi măng cần thiết để cải tạo đất phân loại theo USCS 
TT Phân loại đất 
Hàm lượng xi măng ước 
tính (%) theo trọng lượng 
đất khô 
1 GW-SW 5 
2 SP, SW-SM, SW-SC, SW-GM, SW-GC 6 
3 GM, SM, GC, SP-SM, SP-SC, GP-GM,GP-
GC,SM-SC, FM-GC 
7 
4 SP, CL, ML, ML-CL 10 
5 MH, OH 11 
6 CH 10 
2.6.2 Hàm lượng vôi 
Tổng kết phương pháp thiết kế cấp phối đất cải tạo vôi do Hiệp hội vôi quốc gia 
Mỹ (National Lime Association) [97] hàm lượng vôi lựa chọn phụ thuộc vào thành 
phần hạt và chỉ số dẻo được thể hiện tại Hình 2.14. Kiến nghị hàm lượng vôi (HLV) để 
cải tạo đất hạt thô dựa vào tổng hàm lượng hạt bụi và sét (BS) như sau: HLV từ 2%, 
3%, đến 5% nếu BS nhỏ hơn 50%; HLV từ 5%, 7%, đến 10% nếu BS lớn hơn 50%. 
Nhận xét: Căn cứ vào hàm lượng hạt bụi sét và chỉ số dẻo của đất tại KVNC, 
hàm lượng vôi cần thiết để cải tạo đất từ 4%-8%. Tuy nhiên, để có thể lựa chọn được 
hàm lượng hợp lý khi phối trộn cùng chất kết dính khác, sẽ chọn khoảng từ 0-8%. 
2.6.3 Hàm lượng puzolan tự nhiên 
Theo nghiên cứu của Nader Abbasi (2018) [122], khi nghiên cứu cho đất cát bụi 
(silt sand soil) tại vùng Jandagh - Garmar, Iran, tác giả đã nghiên cứu phối trộn 4 hàm 
lượng Puzolan (0, 5%, 10% và 15%) với 4 tỷ lệ vôi (0, 1%, 3%, 5% và 7%). Kết quả 
cường độ kháng nén ở 14 ngày tự nhiên cho thấy mẫu đạt cường độ kháng nén lớn 
nhất khi tỷ lệ puzolan/vôi từ 3 - 5 lần. Khelifa Harichane và Mohamed Ghrici (2011) 
[85], khi nghiên cứu trên đất có tính dẻo cao tại thị trấn Chlef bắc Algeria, với 3 tỷ lệ 
71 
puzolan (0, 10%, 20%) kết hợp với 3 hàm lượng vôi (0, 4%, 8%), kết quả cường độ 
kháng nén ở 28 ngày cho thấy khi tỷ lệ puzolan trên vôi đạt 2,5 cho cường độ kháng 
nén lớn nhất. Fanghai Yang (2002) [91], đã nghiên cứu sử dụng tro bay (FA) cho thấy 
hàm lượng FA 10%-20% thì lượng vôi cần sử dụng là 3%,5%,7%. Như vậy, tỷ lệ 
FA/vôi là 3 lần. Khuyến cáo của hiệp hội công binh Mỹ (US Army Corps of Engineers 
manual EM1110-03-137 and TM 5-822-14) [138], khi sử dụng tro bay kết hợp với vôi 
mà cường độ không đạt yêu cầu thì thêm 1% xi măng vào, nếu cường độ không đáp 
ứng yêu cầu thì tăng dần hàm lượng xi măng cho đến khi đạt cường độ mong muốn. 
Tổng vật liệu được thêm vào không nên vượt quá 15% trong lượng khô của đất. 
Chất lượng puzolan tự nhiên tại khu vực nghiên cứu có các loại khoáng chất khá 
tốt, độ hút vôi của puzolan đạt độ hoạt tính trung bình. Do vậy, khi sử dụng puzolan tự 
nhiên để cải tạo đất ngoài kết hợp trực tiếp với vôi, cần bổ sung thêm xi măng. Để 
đánh giả ảnh hưởng của các chất kết dính kết hợp với puzolan, đồng thời sử dụng tối 
đa hàm lượng puzolan trong cải tạo đất, hàm lượng puzolan tự nhiên lựa chọn để thực 
hiện thí nghiệm là 0, 5%, 10%, 15% và 20%. 
Hình 2.14. Toán độ lựa chọn hàm lượng vôi cải tạo đất 
72 
2.7 Kết luận Chương 2 
- Từ nghiên cứu cơ sở khoa học sử dụng chất kết dính vô cơ để cải tạo đất tại chỗ 
như: cải tạo đất bằng vôi; cải tạo đất bằng vôi kết hợp với các chất kết dính; Phân tích 
khả năng cải tạo đất bằng chất kết dính; Ứng xử của xi măng với đất; Ứng xử của chất 
kết dính với đất và puzolan tự nhiên với chất kết dính. Thấy rằng, puzolan có thể gia 
cố được đất để tăng cường độ và giảm tính thấm, trương nở, co ngót, tan rã. 
- Đất bazan tại khu vực nghiên cứu khi chế bị với độ chặt, K = 0,98 ở trạng thái 
bão hòa có các chỉ tiêu cơ học giảm mạnh, góc ma sát trong của đất giảm 35%, lực 
dính giảm ≈ 50% so với trường hợp không ngâm bão hòa. Chỉ tiêu cường độ kháng 
nén không hạn chế nở hông ở trạng thái bão hòa bằng “0” nguyên nhân là do mẫu bị 
tan rã hoàn toàn, điều đó cho thấy đất ở trạng thái bão hòa không có khả năng kháng 
nén. Đó chính những yếu tố bất lợi khi xây dựng công trình các công trình trong điều 
kiện ngập nước thường xuyên hoặc ngập nước theo mùa mà không có biện pháp ngăn 
chặn cũng như bảo vệ. Để sử dụng trực tiếp được loại đất này trong các công trình đất 
đắp cần thiết phải cải tạo đất . 
- Puzolan tự nhiên ở Tây Nguyên dồi dào, chưa sử dụng tưng xứng với nguồn lực 
sẵn có. Chất lượng puzolan tại vùng nghiên cứu chủ yếu nằm trong vỏ phong hóa 
bazan với tổng hàm lượng hóa học yêu cầu đối với chất kết dính đều lớn hơn 70% phù 
hợp với tiêu chuẩn ASTM C618-03. Các mẫu puzolan tự nhiên đều đáp ứng được các 
yêu cầu kỹ thuật và công nghệ của phụ gia hoạt tính, nửa hoạt tính trong sản xuất xi 
măng và đặc biệt có thể làm chất kết dính để cải tạo đất tại chỗ. 
- Dựa vào các nghiên cứu tổng quan trên thế giới và Việt Nam ở Chương 1 kết 
hợp với cơ sở khoa học đề xuất phạm vi thành phần cấp phối của hỗn hợp vật liệu đất 
được cải tạo: puzolan 0% đến 20%, xi măng từ 0% đến 10% và vôi 0% đến 8%. để sử 
dụng cho mô hình nhiệt động lực học ở Chương 3. 
73 
 PHÂN TÍCH CƠ CHẾ CẢI TẠO ĐẤT BẰNG PUZOLAN TỰ CHƯƠNG 3
NHIÊN, XI MĂNG VÀ VÔI THÔNG QUA MÔ HÌNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 
3.1 Sử dụng mô hình nhiệt động lực học nghiên cứu cải tạo đất tại chỗ bằng 
chất kết dính 
3.1.1 Sơ lược về mô hình nhiệt động lực học và các ứng dụng của mô hình 
Mô hình “Nhiệt động lực học” có thể mô phỏng tốt và hỗ trợ việc phân tích về hệ 
các phản ứng hóa học diễn ra khi trộn nhiều vật liệu vào với nhau. Với ba biến số ảnh 
hưởng chủ yếu nhất là nhiệt độ, áp suất và thành phần hóa học. Kết quả của mô hình 
có thể dự đoán được, nếu phản ứng sẽ diễn ra và trạng thái cuối cùng sau khi phản ứng 
kết thúc. Các định luật tổng quát điều chỉnh nhiệt động lực học đã được phát triển, phổ 
biến từ nhiều năm nay và lần đầu tiên được áp dụng cho hóa học xi măng vào cuối thế 
kỷ 19 của Le Chatelier để chứng minh rằng quá trình hydrat hóa xi măng thu được 
thông qua sự hòa tan của clinke ban đầu dẫn đến một pha nước luôn bão hòa đối với 
các phản ứng thủy hóa từ đó dẫn đến sự kết tủa của các pha rắn. Cuối cùng đạt đến 
trạng thái cân bằng pha rắn, pha lỏng còn lại trong hệ thống lỗ rỗng pha rắn của xi 
măng. Từ những năm 1940 là thời kỳ nghiên cứu về nhiệt động lực học ứng dụng phát 
triển mạnh mẽ. Trong thời kỳ này, sự phát triển của mô hình nhiệt động lực học là sự 
ra đời của nhiều nghiên cứu ứng dụng của mô hình vào các lĩnh vực khác nhau. 
Mô hình nhiệt động lực học được phát triển và ứng dụng bởi các nhà địa hóa học 
nhằm tính toán hệ phương trình phản ứng phức tạp của hệ đa chất thường xảy ra trong 
tự nhiên. Mô hình nhiệt động lực học đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: 
 Dự đoán tuổi thọ độ bền của công trình ngầm chứa rác thải phóng xạ với các 
tương tác xi măng/sét/phóng xạ [120], [113]; 
 Mô phỏng độ bền của kết cấu vật liệu dưới áp suất cao của việc dự trữ khí CO2, 
khi mà dưới áp suất cao các vật liệu bị cacbonat hóa mạnh mẽ bởi CO2 [130], 
[129] ; 
 Lan truyền chất ô nhiễm, dự đoán vùng ô nhiễm bởi các kim loại nặng trong 
đất [93], [112]; 
 Cân bằng quá trình thủy hóa của xi măng, ảnh hưởng nhiệt độ tới quá trình 
thủy hóa [79], [131], [77], [125]; 
74 
 Tương tác đất sét hay bentonit và vật liệu kết dính puzolan [111], [110]. 
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng cải tạo đất của vôi, Laurent 
De Windt và nnk [110] đã tiến hành thí nghiệm bằng việc sử dụng hỗn hợp bentonit 
và 10% vôi cũng như sử dụng mô hình nhiệt động lực học để tìm hiểu tương tác của 
các khoáng có trong đất bentonit và vôi tạo ra các phản ứng puzolanic hóa ở nhiệt độ 
20°C và 50°C. Do vậy, mô hình nhiệt động lực học có thể ứng dụng vào nghiên cứu cơ 
chế phản ứng giữa đất bazan - puzolan tự nhiên/puzolan nhân tạo có tính chất tương tự 
xi măng 
Ngoài ra, khi thời gian phản ứng trở nên quá dài để thực hiện các thí nghiệm dẫn 
tới chi phí thí nghiệm mô hình vật lý tăng cao, mô hình hóa trở thành phương tiện khả 
thi duy nhất để ước tính độ bền của vật liệu xi măng trong một số ứng dụng rất quan 
trọng như ổn định và hóa rắn chất thải phóng xạ, cũng như xử lý các chất thải phóng 
xạ. 
Tuy nhiên hiện nay, việc ứng dụng mô hình này tại Việt Nam vào nghiên cứu 
trong các lĩnh vực vật liệu xây dựng còn hạn chế. Chi tiết các ứng dụng nổi bật của mô 
hình nhiệt động lực học sẽ được giới thiệu trong phần nghiên cứu thủy hóa xi măng 
dưới sự ảnh hưởng của hàm lượng vôi, tro bay và nhiệt. 
Nguyên lý chung của mô hình nhiệt động lực học trong nghiên cứu cải tạo đất 
bằng puzolan, xi măng và vôi là xét đến sự cân bằng của hệ các khoáng của : đất-
puzolan - xi măng – vôi, thể hiện như Hình 3.1. 
Hình 3.1. Nguyên lý chung của mô hình nhiệt động lực học 
3.1.2 Ứng dụng của mô hình nhiệt động lực học vào nghiên cứu thủy hóa xi 
măng 
Trong phần này, các ứng dụng của mô hình nhiệt động lực học như nghiên cứu thủy 
hóa của xi măng. 
75 
 Nghiên cứu thủy hóa xi măng dưới tác động của CaCO3 3.1.2.1
Việc bổ sung CaCO3 vào clinker ngày càng phổ biến vì nó làm giảm lượng khí 
thải carbon của các việc sản xuất xi măng truyền thống. CaCO3, thay vì trơ nếu để 
trong điều kiện tự nhiên, sẽ tham gia phản ứng hydrat hóa. Việc bổ sung CaCO3 vào 
clinker C3A hoặc xi măng Portland giúp ổn định khoáng calci monocarboaluminat, 
C4ACH11 (monocarboaluminat) và ettringit C6AS3H32, ngược lại sẽ làm mất ổn định 
monosulphat C4AS3H12 [78], [100]. Ngoài ra, ettringit có thể kết hợp tới 9% carbonat 
tại 25°C [43], sẽ tăng cường hơn nữa khả năng lấp đầy không gian của chất rắn. Mô 
hình nhiệt động lực học [131], [78], [104] đã giúp khẳng định những nhận định này, 
Hình 3.2 đã cho thấy sự hiện diện của đá vôi tạo ra sự ổn định của khoáng ettringit; sự 
hiện diện của một lượng nhỏ CaCO3 (lên đến xấp xỉ 5%) làm tăng tổng khối lượng 
chất rắn ngậm nước và do đó làm giảm độ rỗng của vữa xi măng, như trong Hình 3.2. 
Hình 3.2. Hàm lượng khoáng thủy hóa của xi măng Portland thay đổi theo hàm của 
lượng CaCO3 [104] 
 Nghiên cứu thủy hóa xi măng dưới tác động của tro bay 3.1.2.2