Đọc văn bản sau và trả lời câu hỏi:

Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu

     (1) Cứng hóa bùn là việc trộn vật  liệu kết dính hoạt tính vào trong  bùn  thải,  bùn  nạo  vét.  Cứng  hóa  bùn  bao  gồm  hai  vấn  đề,  đó  là  “cứng  hóa”  và  “ổn  định”.  “Ổn định” được hiểu là để xử lý  ô nhiễm, bằng việc cố định các  chất gây hại trong hỗn hợp bùn  cứng hóa cũng như biến đổi các  chất gây hại này sang các chất ít  gây hại hơn, có độ hòa tan thấp  hơn.  “Cứng  hóa” là  sự  cải  thiện  tính chất vật lý của bùn, các tính  chất vật lý này bao gồm cường độ  nén, giới hạn chảy, giới hạn dẻo,  độ sệt cũng như tăng khả năng  chống  thấm.  Mục  đích  của  việc  trộn hỗn hợp vật liệu kết dính vào  bùn nhằm làm cải thiện cường độ,  tính thấm và sức bền bằng cách  giảm hệ số rỗng và gắn các hạt  đất bùn với nhau. Khi trộn vật liệu  kết dính với bùn có 3 phản ứng  chính xảy ra, gồm  khử nước, trao  đổi ion, phản ứng keo  hóa. Cường  độ của bùn sau khi được trộn sẽ  tăng từ từ và chủ yếu là phụ thuộc  vào phản ứng keo hóa.

     (2) Các  vật  liệu  kết  dính  thường  được sử dụng bao gồm xi măng  Portland, bụi lò xi măng, vôi bột,  đá vôi, tro bay, tro xỉ, thạch cao,  hỗn hợp phốt pho và nhiều sản  phẩm  thương  mại  độc  quyền  khác.  Do  sự  khác  nhau  về  tính  chất cơ lý (hàm lượng nước, giới  hạn chảy, giới hạn dẻo) cũng như  thành phần hóa học của các loại  bùn, nên cấp phối trộn cho việc  cứng  hóa  cần  được  thiết  kế  để  phù  hợp  với  tính  chất  từng  loại  nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật  cũng như giá thành. Các vật liệu  kết dính được chia làm hai loại là  vô cơ và hữu cơ. Trong thực tế áp  dụng, các vật liệu kết dính vô cơ  thường được lựa chọn hơn do giá  thành rẻ hơn nhiều so với chất kết  dính  hữu  cơ  như  nhựa  át  phan,  ure  formandehyde  và  các  chất  polyme khác.

     (3) Cơ chế làm cứng và cải tạo bùn  là keo tụ thông qua các phản ứng  trao đổi cation và tạo ra chất kết  dính C-S-H thông qua các phản  ứng  puzzolan  trong  môi  trường  đất bùn:  

nCaO + SiO 2  + yH 2 O  →  C-S-H    (1)

     (4) Xi măng Portland là thành phần  chính trong bê tông được sử dụng  trong xây dựng, vì vậy xi măng là  một lựa chọn rất tốt cho quá trình  đông cứng và ổn định đối với các  loại bùn khác nhau. Cấp phối có  thành phần xi măng là phổ biến  hơn so với các chất kết dính khác.  Xi măng thường được sử dụng vì:  (1) trong quá trình hydrat hóa xi  măng làm giảm nước tự do trong  bùn, (2) giảm độ thấm do thay đổi  liên kết trong bùn, (3) bao phủ các  hạt bùn bằng lớp chống thấm, (4)  cố định hóa học các chất gây hại  trong bùn bằng giảm độ hòa tan  của chúng và (5) tạo thuận lợi cho  việc giảm độc tính của một số chất  ô nhiễm. Hỗn hợp vật liệu trộn xi  măng có thể xử lý được các chất  gây hại vô cơ cũng như hữu cơ.  Các hỗn hợp vật liệu thương mại  độc  quyền  thường  là  sản  phẩm  trộn của các chất kết dính vô cơ  hoặc hữu cơ với xi măng. Tro bay  hoặc tro xỉ thường được kết hợp  sử dụng với xi măng để kích hoạt  phản  ứng  pozzolan  của  chúng.  Bụi  lò  xi  măng  thường  được  sử  dụng vì lý do kinh tế. Vôi bột có  thể sử dụng để điều chỉnh pH hay  giảm  nước  nhờ  nhiệt  lượng  cao  tỏa  ra  trong  quá  trình  thủy  hóa.  Đá vôi dùng để điều chỉnh pH và  tăng trọng lượng hỗn hợp.

     Các công nghệ cứng hóa bùn

     (5) Các  công  nghệ  hiện  nay  thường  được  áp  dụng  để  cứng  hóa  bùn  nhằm  cải  thiện  sự  gắn  kết  của  các  hạt  đất  gồm:  công  nghệ thoát lượng nước trong bùn  và công nghệ trộn các vật liệu kết  dính vào bùn.

     Thoát  nước  trong  bùn  tự  nhiên để cải tạo bùn

     (6) Giải pháp thoát nước tự nhiên:  bùn được đào lên và vận chuyển  đến  vị  trí  cần  sử  dụng,  sau  đó  được  phơi  khô  và  thoát  nước  tự  nhiên.  Kết  quả  một  số  nghiên  cứu  với  giải  pháp  này  cho  thấy,  sau khoảng 11 tháng, hàm lượng  nước ban đầu của bùn là khoảng  115-130% giảm còn 65-75%.

     (7) Sử dụng các vật liệu thoát nước  kết hợp hút chân không:  phương  pháp  này  ứng  dụng  cơ  chế  hút  nước trong nền để làm tăng các  chỉ tiêu cơ lý của nền, bằng cách  cắm  các  bấc  thấm  thẳng  đứng  rồi nối với máy bơm chân không.  Kết cấu thoát nước đứng thường  đi cùng với việc gia tải nhằm thúc  đẩy quá trình thoát nước của các  loại đất yếu nhằm đẩy nhanh quá  trình cố kết. Kết cấu thoát nước  tạo ra một “con đường” để nước  thoát ra từ trong đất. Thời gian để  thoát  nước  cho  đất  có  thể  giảm  từ một vài năm xuống chỉ còn vài  tháng. Việc hút chân không giúp  cải thiện các tính chất cơ lý của  bùn hoặc đất yếu.  

    Trộn  vật  liệu  kết  dính  vào  bùn tự nhiên  

     (8) Trộn vật liệu kết dính bằng hệ  thống  bơm  khí  nén:  công  nghệ  này  đã  được  các  nhà  khoa  học  nghiên cứu năm 1998 bằng cách  trộn các vật liệu kết dính với bùn  trên đường ống bơm vận chuyển  bằng  hệ  thống  máy  nén  khí.  Phương pháp này không yêu cầu  lượng nước hỗ trợ bơm vào bùn  chảy trong đường ống, loại bỏ sự  cần thiết phải lắp đặt hệ thống xử  lý thoát nước trong khu vực san  lấp.  Tuy  nhiên,  công  nghệ  này  có chi phí cao và đòi hỏi một thời  gian dài để hỗn hợp bùn xi măng  đạt được các tính chất cơ học cần  thiết cho các công trình xây dựng  tiếp theo.

     (9) Trộn  vật  liệu  kết  dính  bằng  các  trạm  trộn:  vật  liệu  kết  dính  với các hàm lượng đã được tính  toán nghiên cứu trước được đưa  vào  bùn  tự  nhiên  qua  các  trạm  trộn cưỡng bức. Phương pháp này  đã được áp dụng tại nhiều công  trình trên thế giới bởi nhiều nhà  thầu thi công. Có thể dùng những  trạm trộn di động bằng cách lắp  các buồng trộn cỡ nhỏ trên các xe  tải hoặc với những công trình khối  lượng lớn có thể sử dụng các trạm  trộn cố định để trộn vật liệu kết  dính vào bùn tự nhiên.

     (10) Giải pháp trộn tại chỗ bùn cần  gia cố:  đây là giải pháp đáp ứng  được nhiều yêu cầu của thực tế  khi  cần  tăng  khả  năng  chịu  tải  của  những  vùng  đất  yếu,  vùng  cần san lấp. Việc xác định tỷ lệ  các thành phần chất kết dính đưa  Mô hình thi công gia cố đất bùn bằng thoát nước và hút chân không tại Nhật Bản. vào xử lý được xác định từ các thí  nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm  qua các thiết bị trộn nông nhằm  cải thiện được tính chất cơ lý của  khu vực cần gia cố, san lấp. Với  các loại hình thiết bị khác nhau,  vật liệu kết dính sẽ được trộn đều  trong  khối  đất  cần  gia  cố  bằng  công nghệ khô/ướt, quay/phun áp  lực, khoan/cắt...

Ứng dụng tiềm năng tại Việt Nam

     (11) Với bờ biển dài hơn 3.200 km  cùng 49 cảng biển lớn nhỏ, kèm  theo  hệ  thống  sông,  cửa  biển  phục vụ cho tàu bè vận chuyển  hàng hóa, đặc biệt tại Đồng bằng  sông Cửu Long giao thông trên hệ  thống sông ngòi đóng vai trò quan  trọng trong phát triển kinh tế. Do  đó yêu cầu khai thông luồng lạch  cửa sông, cửa biển và cảng biển  hàng năm là rất lớn. Lượng bùn  nạo vét cần được xử lý để tránh  ô  nhiễm  môi  trường  là  một  thử  thách được đặt ra trong quá trình  khai thác các cửa sông, cửa biển  và hải cảng. Ngoài ra, trên cơ sở  kết quả của Hội nghị về phát triển  bền  vững  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu  ngày  26-27/9/2017,  Chính  phủ đã ban hành Nghị quyết số  120/NQ-CP ngày 17/11/2017 về  “Phát triển bền vững Đồng bằng  sông Cửu Long thích ứng với biến  đổi khí hậu”, trong đó có nội dung  “nghiên  cứu  tạo  nguồn  vật  liệu  mới  thay  thế,  phục  vụ  san  lấp,  xây dựng (hạn chế việc lấy cát từ  lòng sông để tôn nền). Quy hoạch  và đầu tư các khu xử lý chất thải,  nước thải tập trung, hiện đại; đẩy  mạnh tái chế, tái sử dụng và sản  xuất năng lượng từ rác”. Do vậy,  tiềm  năng  áp  dụng  giải  pháp  cứng hóa bùn tại Việt Nam là rất  lớn, bởi đồng thời giải quyết được  nhiều  vấn  đề  đặt  ra:  bảo  trì  hệ  thống giao thông đường thủy, tạo  ra vật liệu mới để san nền, góp  phần  thích  ứng  với  biến  đổi  khí  hậu và xử lý môi trường.

     (12) Theo  hướng  này,  Viện  Thủy  công đã có một nghiên cứu thực  nghiệm về việc hóa rắn bùn nạo  vét ở tỉnh Cà Mau với mục đích:  tạo vật liệu đất hỗn hợp đáp ứng  các  yêu  cầu  (góc  ma  sát  trong  φ >10 0 ; độ kết dính C>0,1 kg/cm 2 ,  có  thể  thay  thế  được  cho  móng  cát  xây  dưới  nền  đê  theo  thiết  kế hiện hành; tạo vật liệu có thể  được bơm đi từ 500 đến 1.000 m;  giá  thành  sản  phẩm  chấp  nhận  được đối với bùn đã qua xử lý.   

     (13) Nhóm nghiên cứu đã thực hiện  thí nghiệm tại Hà Nội với mẫu bùn  lấy từ tỉnh Cà Mau, tro bay ở Trà  Vinh, vôi lấy tại Thái Bình và các  phụ gia hóa học. Sau thử nghiệm  trong  phòng  thí  nghiệm,  nhóm  nghiên cứu đã áp dụng tại công  trường xây dựng trong Khu công  nghiệp Khánh An, tỉnh Cà Mau.  Kết  quả  ứng  dụng  ban  đầu  tại  hiện trường cho thấy, có thể tạo  ra một loại vật liệu sử dụng bùn  nạo vét thay thế phục vụ cho việc  san lấp, xây dựng (hạn chế việc  lấy cát từ lòng sông để tôn nền);  giảm thiểu được xói lở bờ sông,  bờ biển hiện nay ở khu vực Đồng  bằng sông Cửu Long do khai thác  cát quá giới hạn; giải quyết được  chỗ đổ thải bùn nạo vét trên địa  bàn  các  tỉnh  Đồng  bằng  sông  Cửu Long hàng năm (hiện tại các  dự án nạo vét đang phải đền bù  đất cho người dân để lấy chỗ xả  bùn thải).

     (14) Những  kết  quả  ban  đầu  cho  thấy, phương pháp cứng hóa bùn  có thể giải quyết vấn đề nền đất  yếu,  bùn  nạo  vét  ở  Đồng  bằng  sông  Cửu  Long  hàng  năm;  các  sản phẩm hình thành này có thể  là  sẽ  là  một  nguồn  nguyên  liệu  tiềm năng trong khu vực để san  lấp và xây dựng các cơ sở hạ tầng  phục vụ phát triển kinh tế - xã hội  nói  chung,  xây  dựng  nông  thôn  mới nói riêng  

(Nguồn: “Cứng hóa bùn – Giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu”, TS Ngô Anh Quân, GS.TS Nguyễn Quốc Dũng, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, số 9, năm 2019)

Cứng  hóa  bùn  bao  gồm  hai  vấn  đề,  đó  là?