Xem mẫu
- ứng ở mức độ trung bình.
Sau khi loại bỏ những hạt trên sàng No.40, cho thêm nước (nếu cần thiết)
để chế bị mẫu đất có trạng thái dẻo. Làm khô mẫu đất bằng lò sấy, ánh
nắng mặt trời hoặc để ngoài không khí tự nhiên rồi kiểm tra cường độ
bằng cách dùng các ngón tay bẻ hoặc bóp vỡ mẫu. Cường độ này nói lên
Cường độ khô tính chất và số lượng nhóm hạt sét trong mẫu đất. Cường độ khô tỷ lệ
thuận với tính dẻo của đất.
(đặc tính
Đất sét ở nhóm CH cho giá trị cường độ khô cao trong khi đất bụi không
biến dạng)
chứa hữu cơ có giá trị rất nhỏ. Cát bụi và bụi gần như có giá trị cường độ
khô như nhau nhưng ta có thể phân biệt bằng cảm giác khi bóp vụn mẫu
đất khô. Cát bụi sẽ cho ta cảm giác sàn sạn còn bụi thì cho cảm giác mịn
như bột.
Sau khi loại bỏ những hạt trên sàng No.40 và chế bị 1 mẫu đất ẩm có thể
tích khoảng 0.5 in3. Nếu đất khô, ta cho thêm nước để làm mềm mẫu đất
nhưng không nhão quá.. Sau đó trải mỏng mẫu đất để nước có thể bay hơi
rồi dùng lòng bàn tay lăn thành những dây đất có đường kính 3 mm. Dây
đất được gấp đi gấp lại vài lần làm cho độ ẩm của dây đất giảm dần và
tăng dần độ cứng dây đất. Cuối cùng, dây đất bị đứt gẫy khi đạt tới giới
hạn dẻo.
Độ bền Sau khi dây đất bị vỡ vụn, các mẩu đất được vo viên lại và quá trình nhào
trộn được tiếp tục đến khi dây đất bị vỡ vụn.
(độ sệt gần với
Thành p hần nhóm hạt sét càng lớn thì độ bền của dây đất gần giới hạn dẻo
giới hạn dẻo)
và độ cứng của viên đất khi được vo viên lại càng tăng lên. Độ bền yếu
của dây đất gần giới hạn dẻo và sự suy giảm nhanh tính kết dính của viên
đất dưới giới hạn dẻo chỉ ra sự có mặt của các hạt sét vô cơ, độ dẻo thấp
hoặc sét hữu cơ và sét loại kaolin. Các loại đất này có vị trí nằm dưới
đường thẳng A.
Đất chứa hàm lượng hữu cơ cao thì có độ bền rất kém và xốp khi gần với
giới hạn dẻo.
Đối với đất hạt thô có chứa hàm lượng hạt mịn hơn 12%, được gọi là GM hoặc SM nếu
các hạt nhỏ thuộc nhóm hạt bụi (các giá trị giới hạn nằm phía dưới đường thẳng A trong biểu đồ
dẻo) và được gọi là GC hoặc SC nếu các hạt mịn thuộc nhóm hạt sét (các giá trị giới hạn nằm
phía trên đường thẳng A trong biểu đồ dẻo) . Cả hai loại đất có cấp phối hạt tốt và không tốt đều
thuộc những nhóm này.
Loại đất chứa 5% đến 12% trọng lượng hạt dưới sàng No.200 thì được coi như là ở gianh
giới giữa 2 nhóm và có ký hiệu ghép đôi. Phần trước của ký hiệu nói lên phần hạt thô có cấp p hối
tốt hoặc cấp phối kém, phần thứ 2 mô tả thành phần hạt mịn. Chẳng hạn, nếu một loại đất được
phân loại SP-SM có nghĩa đây là đất cát có cấp phối hạt không tốt và chứa từ 5% đến 12% các
hạt bụi. Tương tự như vậy, GW-GC có nghĩa đây là đất sỏi có cấp phố i hạt tốt và chứa các hạt
sét, loại đất này được biểu thị ở phía trên đường thẳng A.
Đất hạt mịn cũng có những ký hiệu ghép đôi. Đương nhiên nếu các giá trị giới hạn của
đất nằm trong vùng gạch chéo ở hình 3.2 (4 < PI < 7 và 12 < LL < 25) thì đất được phân loại CL-
32
- ML. Howard (1977) đề xuất mang tính thực nghiệm rằng nếu các giá trị của LL và PI nằm gần
đường thẳng A hoặc gần với đường LL = 50 thì nên dùng ký hiệu ghép đôi. Do đó, các ký hiệu
ghép đôi có thể như sau:
ML-MH
CL-CH
OL-OH
CL-ML
CL-OL
CH-MH
CH-OH
Ngoài ra, các ký hiệu ghép đôi cũng có thể dùng cho các loại đất chứa 50% hạt mịn hoặc
các loại đất hạt thô. Trong trường hợp này, các ký hiệu ghép đôi có thể như sau:
GM-ML
GM-MH
GC-CL
GC-CH
SM-ML
SM-MH
SC-CL
SC-CH
33
- Hình 3.3 Chỉ dẫn phân giới các loại đất (theo Howard, 1977)
Trình tự các bước phân loại đất theo hệ thống USCS được chỉ dẫn một cách chi tiết trên
hình 3.4, theo phương pháp này loại đất được xác định bằng cách loại các trường hợp chưa phù
hợp và đến khi trường hợp duy nhất còn lại. Vi ệc phân loại đất nên kết hợp với bảng 3 -2 và hình
3.4, các bước chi tiết được thực hiện như sau:
Hình 3.4 Chỉ dẫn phân giới các loại đất (theo Howard, 1977)
34
- Hình 3.4 (tiếp)
1. Xác định đất thuộc nhóm hạt thô, hạt mịn hay đất hữu cơ bằng mắt thường ha y dựa vào
kết quả phân tích hạt qua sàng No.200.
2. Nếu là đất hạt thô:
a. Thực hiện thí nghiệm phân tích hạt và vẽ đường cong cấp phối. Xác định lượng chứa
các hạt dưới sàng No.4, đất được phân loại là sỏi nếu lượng chứa các hạt trên sàng No.4 lớn hơn
và được phân loại là cát nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.4 lớn hơn.
b. Xác định lượng chứa các hạt dưới sàng No.200, nếu có giá trị < 5% thì ta dựa vào hình
dạng của đường cong để phân loại đất thành GW hay SW (đất có cấp phối tốt) và GP hay SP (đất
có cấp phối không tốt).
c. Nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.200 có giá trị trong khoảng 5% đến 12% thì đất
được coi là ở giữa ranh giới 2 nhóm và sẽ có các ký hiệu ghép đôi tuỳ thuộc vào chất lượng cấp
phối hay tính dẻo của đất (GW-GM, SW-SM...)
d. Nếu lượng chứa các hạt dưới sàng No.200 có giá trị > 12% thì ta xác định các giá trị
giới hạn Atterberg của các hạt dưới sàng No.40 và dùng biểu đồ dẻo để phân loại đất (GM, SM,
GC, SC, GM-GC hoặc SM-SC)
3. Nếu là đất hạt mịn:
a. Xác định các giá trị giới hạn Artterberg của các hạt dưới sàng No.40, nếu giới hạn chảy
LL nhỏ hơn 50% thì đất được phân loại thấp (L) và nếu giới hạn chảy LL lớn hơn 50% thì đất
được phân loại cao (H).
b. Đối với đất thuộc phân loại L: nếu các giá trị giới hạn nằm phía dưới đường t hẳng A và
vùng gạch chéo trong biểu đồ dẻo thì chúng được xác định bằng màu sắc, mùi vị hoặc bằng sự
35
- thay đổi của giới hạn chảy và giới hạn dẻo khi mẫu đất được sấy khô. Trong trường hợp này đất
được phân thành nhóm hữu cơ (OL) hoặc nhóm vô cơ (ML). Nếu các giá trị giới hạn nằm trong
vùng gạch chéo, đất sẽ được phân thành nhóm CL-ML. Còn khi các giá trị giới hạn nằm phía trên
đường thẳng A và vùng gạch chéo thì chúng được phân thành nhóm CL.
c. Đối với đất thuộc phân loại H: nếu các giá trị giới hạn nằm p hía dưới đường thẳng A
thì chúng được phân thành nhóm hữu cơ (OH) hoặc nhóm vô cơ (MH). Khi các giá trị giới hạn
nằm phía trên đường thẳng A thì chúng được phân thành nhóm CH.
d. Khi các giá trị giới hạn nằm trong vùng gạch chéo và gần với đường thẳng A ho ặc gần
với đường thẳng LL = 50% thì ta sử dụng các ký hiệu ghép đôi như trên hình 3.3.
CHƢƠNG 4
CÁC KHOÁNG VẬT SÉT VÀ CẤU TRÚC CỦA
ĐẤT
4.2 Các khoáng vật sét
Các khoáng vật sét là những vật chất kết tinh rất nhỏ bền vững, được tạo ra chủ yếu từ
quá trình phong hóa hóa học các khoáng vật tạo đá có trước xác định. Về mặt hóa học, chúng là
các aluminosilicates ngậm nước kết hợp với các ion kim loại khác. Tất cả các khoáng vật sét là
các tinh thể cỡ hạt keo, rất nhỏ (đường kính nhỏ hơn 1 m) và chỉ được nhìn thấy dưới kính hiển
vi điện tử. Những tinh thể riêng lẻ trông giống như các bản mỏng hoặc các đám bông nhỏ và từ
các nghiên cứu nhiễu xạ tia X, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, các đám bông này bao gồm nhiều
lớp tinh thể với cấu trúc nguyên tử lặp lại. Trên thực tế, chỉ có hai lớp tinh thể cơ bản đó là các
khối tứ diện silic và các khối bát diện alumin. Sự khác nhau trong việc sắp xếp các lớp tinh thể
36
- cùng với liên kết và các ion kim loại ở các nút mạng không giống nhau sẽ tạo ra các khoáng vật
sét khác nhau.
Về cơ bản, các lớp tinh thể có hình khối tứ diện là sự kết hợp các đơn vị tứ diện oxit silic
đơn vị - được tạo lên từ 4 nguyên tử oxi ở các góc và bao quanh một nguyên tử silic. Hình 4.1a
cho thấy khối tứ diện oxit silic đơn, hình 4.1b cho thấy các nguyên tử oxi của các khối tứ diện kết
hợp với nhau tạo ra lớp tinh thể. Các nguyên tử oxi ở mặt đáy của mỗi khối tứ diện thì cùng nằm
trên một mặt phẳng, còn các nguyên tử oxi khác đều hướng về cùng một phía. Hình 4.1c là sơ đồ
thông dụng biểu diễn một lớp khối tứ diện. Nhìn từ trên xuống, lớp oxit silic cho thấy các nguyên
tử oxi ở mặt đáy của các khối tứ diện liên kết với các khối tứ diện khác như thế nào và các
nguyên tử silic được liên kết như thế nào ở hình 4.1d. Lưu ý với các lỗ 6 cạnh của lớp tinh thể.
Nguyên tử ôxy ở mặt phẳng silic phía trên
Nguyên tử Silic
Nguyên tử ôxy liên kết để tạo thành mạng
tinh thể
Sơ họa khối tứ diện silica
Sơ họa chuỗi vòng silica (2 chiều) và minh
họa các liên kết từ nguyên tử silic tới các
nguyên tử ôxy ở mặt dưới (liên kết thứ 4
của mỗi nguyên tử silic vuông góc với mặt
phẳng giấy)
Hình 4.1. (a) Khối tứ diện silic (theo Grim, 1959), (b) Chuỗi tứ diện
hay lớp silic (theo Grim, 1959), (c) Giản đồ biểu diễn của lớp silic
(theo Lambe, 1953), (d) Hình chiếu bằng của lớp silic (theo Warshaw
và Roy, 1961)
Các lớp bát diện là sự kết hợp của các khối bát diện đơn vị bao gồm 6 nguyên tử oxi hoặc
hydroxin bao quanh 1 nguyên tử nhôm, sắt, magie hoặc một nguyên tử nào đó. Một khối bát diện
riêng lẻ được minh họa ở hình 4.2a, trong khi hình 4.2b cho thấy các khối bát diện kết hợp với
nhau tạo thành lớp bát diện. Dãy các nguyên tử oxi hoặc hydroxin trong lớp bát diện nằm trong 2
mặt phẳng. Hình 4.2c là sơ đồ biểu diễn lớp bát diện chúng ta sẽ sử dụng sau này. Hình 4.2d cho
thấy, khi nhìn từ trên xuống các nguyên tử khác nhau kết hợp và liên kết với nhau như thế nào
trong lớp bát diện.
37
- Sự thay thế các cation khác nhau trong lớp bát diện xảy ra tương đối phổ biến và sẽ tạo ra
các khoáng vật sét khác nhau. Vì các ion được thay thế có cùng kí ch thước hình học nên sự thay
thế như thế gọi là thay thế đồng hình. Đôi khi không phải tất cả các khối bát diện đều chứa một
cation, kết quả là chúng tạo ra các kiến trúc kết tinh không giống nhau với các tính chất vật lý
khác nhau chút ít và tạo ra các khoáng vật sét khác nhau. Nếu tất cả các anion của các lớp bát
diện là hydroxin và 2/3 các vị trí catrion này được lấp đầy bởi nhôm, thì sẽ có khoáng vật gibbsit
còn nếu magie thay thế các nguyên tử nhôm trong lớp bát diện và lấp đầy vị trí các cation, th ì tạo
thành là khoáng vật bruxit. Sự biến đổi trong kết cấu của lớp cơ bản tạo ra nhiều khoáng vật sét
khác nhau. Tất cả các khoáng vật sét bao gồm 2 lớp cơ bản được sắp xếp với nhau theo các cách
thức duy nhất nhất định và với các cation xác định trong cá c lớp bát diện và tứ diện. Với mục
đích xây dựng, chúng ta thường mô tả một số khoáng vật sét chủ yếu thường gặp trong các loại
đất sét.
Nguyên tử Hydroxyn ở mặt phẳng phía
trên
Nguyên tử Al
Các vị trí tám mặt khuyết thiếu (sẽ được
lấp đầy trong lớp bruxit)
Nguyên tử Hydroxyn ở mặt phẳng thấp
hơn
Sơ họa các mặt bát diện alumina song
song với các mặt hydroxyl thấp hơn
Sơ họa các mặt bát diện alumin khuyết
thiếu song song với các mặt hydroxyn
thấp hơn
Các liên kết từ nguyên tử Al tới các
nguyên tử hydroxyn (mỗi nguyên tử Al
có 6 liên kết)
Hình 4.2. (a) Khối bát diện Al hoặc Mg (theo Grim, 1959), (b) Chuỗi
tứ diện hay lớp alumina (theo Grim, 1959), (c) Giản đồ biểu diễn của
lớp Al hoặc Mg (theo Lambe, 1953), (d) Hình chiếu bằng của lớp bát
diện (theo Warshaw và Roy, 1961)
38
- 4.3 Nhận dạng khoáng vật sét
Do các khoáng vật sét thường rất nhỏ, việc nhận dạng chúng bằng các kỹ thuật quang học
trong khoáng vật học thông thường không giải quyết được, cần phải có phương pháp khác để xác
định chúng. Từ các kiến thức đã học trong vật liệu xâu dựng, chúng ta biết rằng đặc tính cá biệt
hoặc lặp lại của cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu sẽ làm nhiễu xạ tia X. Các khoáng vật khác
nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau sẽ có kiểu dáng nhiễu xạ khác nhau và dựa vào đó,
khoáng vật sẽ được xác định. Kiểu nhiễu xạ của các khoáng vật đã biết sẽ được xuất bản và căn
cứ vào đó để so sánh với các khoáng vật chưa biết. Nhưng vấn đề rắc rối gặp phải là với những
loại đất là hỗn hợp các khoáng vật sét, đất có chứa hữu cơ và chứa các thành phần không thuộc
nhóm khoáng vật sét hoặc đất có các lớp khoáng vật xáo trộn lẫn nhau. Trong trường hợp này,
việc phân tích chi tiết hàm lượng từng khoáng vật là không thể, chỉ có thể chỉ ra tương đối bao
nhiêu khoáng vật có mặt trong đất và mỗi loại chiếm bao nhiêu phần trăm.
Một phương pháp khác được dùng để xác định các khoáng vật sét là phương pháp DTA
(differential ther mal analysis). Một mẫu đất cần được xác định được đưa vào lò sấy điện ở nhiệt
độ khoảng vài trăm độ C với một chất hóa học trơ, sự thay đổi diễn ra do cấu trúc mạng tinh thể
các khoáng vật sét. Sự thay đổi đó ở nhiệt độ nào đó được ghi lại và nó đặc trưng cho từng
khoáng vật, đây sẽ là cơ sở để so sánh với các khoáng vật đã biết.
Kính hiển vi điện tử loại truyền dữ liệu hoặc chụp đều có thể sử dụng để xác định các
khoáng vật sét trong mẫu đất nhưng đây là quá trình phức tạp và tính định lượng không cao.
Hình 4.14. Vị trí các khoáng vật sét thƣờng gặp trên biểu đồ dẻo của
Casagrande (phát triển từ Casagrande, 1948 và số liệu của Mitchell, 1976)
GS. Casagrande có cách tiếp cận đơn giản sử dụng giới hạn Atterberg. Mục 2.8 đã cho
thấy hoạt tính có liên quan với đất sét hoạt động hay không hoạt động. Khoáng vật monmorilonit
sẽ hoạt động mạnh vì có kích thước nhỏ và có chỉ số dẻo lớn. Sử dụng biểu đồ dẻo của
Casagrande (hình 3.2) chúng ta có thể thu nhận được nhiều thông tin phục vụ cho xây dựng, như
khi dùng phương pháp nhiễu xạ phức tạp hoặc phương pháp phân tích DTA. Trình tự chi tiết
39
- được thấy trong hình 4.14. Ta xác định vị trí mẫu cần xác định trên biểu đồ LL-PI và so sánh nó
với vị trí các khoáng vật đã biết. Nếu mẫu của bạn có giới hạn Atterberg cao hơn và nằm trên
đường A, gần đường U thì nó có thể chứa nhiều khoáng vật hoạt động mạnh như monmorilonit.
Thậm chí, nếu đất được xác định là CL, ví dụ như sét pha (CL) có thể vị trí vẫn nằm gần đường
U, hàm lượng sét trong mẫu đất này phần lớn vẫn là khoáng vật monmorilonit. Sét băng tích - hồ
ở quanh vùng Great Lakes ở Mỹ và Canada chủ yếu chứa Ilit và chúng nằm phía trên bên phải
đường A. Trầm tíc h biển vùng Scandinavian cũng chứa nhiều Ilit nên cũng nằm ở vị trí tương tự.
Khoáng vật Kaolinits thuộc nhóm các khoáng vật hoạt động kém và thường nằm dưới đường A
trên biểu đồ. Mặc dù chúng là những loại khoáng vật có liên quan nhiều tới công tác xây dự ng,
chúng có các đặc tính tương tự các vật liệu ML -MH.
4.4 Tỷ diện tích bề mặt
Tỷ diện tích bề mặt là tỷ số của diện tích bề mặt của đất đá với thể tích hay khối lượng
của chúng. Giá trị này được xác định như sau: tỷ diện tích thể tích = diện tích bề mặt/ thể tích
(4.1). Ý nghĩa vật lý của đại lượng này được minh họa bằng hình lập phương có các cạnh
1x1x1cm.
Tỷ diện tích
Nếu mỗi cạnh có chiều dài 1mm, tỷ số này sẽ là:
Nếu mỗi cạnh có chiều dài 1μm, tỷ số này sẽ là:
Các ví dụ trên đã chỉ ra rằng, các hạt có đường kính lớn thì có tỷ diện tích nhỏ hơn và
ngược lại, các hạt có đường kính nhỏ thì có tỷ diện tích lớn hơn. Để xác định tỷ diện tích theo
khối lượng phải chia giá trị thể tích cho dung trọng khối lượng p nên đơn vị có thể là m2/g hoặc
m2/kg.
Nếu nước có mặt chỉ đủ để làm ẩm ướt bề mặt các khối lập phương trong các ví dụ trên,
sẽ cần khoảng 10 lần lượng nước để làm ướt bề mặt các hạt có kích thước 1mm so với các hạt có
kích thước 1cm. Nếu chúng ta cố gắng để tách nước ra khỏi bề mặt các hạt đất t hì với các hạt nhỏ
(1mm) lượng nước đó sẽ lớn hơn 10 lần các hạt lớn (1cm).
Tỷ diện tích tỷ lệ nghịch với đường kính các hạt đất. Thực tế chúng ta không thể xác định
giá trị này được vì hình dạng các hạt đất không giống nhau, nhưng rõ ràng khối đất được tạ o bởi
nhiều hạt nhỏ thì sẽ có tỷ diện tích lớn hơn các loại đất tạo bởi các hạt có kích thước lớn.
Từ khái niệm tỷ diện tích, chúng ta thấy rằng, đất hạt nhỏ có độ ẩm cao hơn đất hạt lớn
(hạt thô) cho dù các thông số khác như: độ lỗ rỗng, cấu trúc đất có t hể như nhau.
40
- Trong môn học vật liệu xây dựng, tỷ diện tích là nhân tố cơ bản trong quá trình thiết kế bê
tông xi măng hoặc bê tông asphalt. Trong cả hai trường hợp đó cần cung cấp lượng xi măng hoặc
asphalt thích hợp để bao phủ hết các bề mặt hợp thể.
4.5 Sự tƣơng tác giữa nƣớc và các khoáng vật sét
Như đã đề cập ở trên, nước thường không gây ra ảnh hưởng nhiều đến đặc tính các loại
đất rời. Chẳng hạn, cường độ chống cắt của đất cát trong trường hợp khô và bão hòa là xấp xỉ
nhau. Một trường hợp ngoại lệ quan trọng là khi nước có mặt trong các loại đất cát xốp bị ảnh
hưởng bởi tải trọng động do động đất hoặc nổ mìn.
Trong khi đó, các loại đất hạt mịn đặc biệt là đất loại sét, bị ảnh hưởng mạnh mẽ khi nước
có mặt trong lỗ rỗng của đất. Nước có mặt sẽ làm gia tăng tính dẻo và giới hạn Atterberg là dấu
hiệu cho thấy sự ảnh hưởng đó. Sự phân bố đường kính các nhóm hạt không ảnh hưởng nhiều đến
các đặc tính của đất hạt mịn.
Tại sao sự có mặt của nước trong lỗ rỗng của đất hạt mịn lại quan trọng như vậy? Hãy
nhớ lại các vấn đề đã được thảo luận ở phần trước về tỷ diện tích, với đất hạt mịn hơn sẽ có tỷ
diện tích lớn hơn. Các khoáng vật sét thường có kích thước tương đối nhỏ, có tỷ diện tích lớn.
Khi đó, với các thông số khác như nhau, đất hạt nhỏ có bề mặt các hạt hoạt động mạnh hơn (linh
động hơn).
41
- B ề dày Đƣờng kính Tỷ diện tích
Hình dáng
(km2/kg)
(mm) (mm)
Hình 4.15. Giá trị trung bình về kích thƣớc, bề dày và tỷ diện tích của một số
khoáng vật sét thƣờng gặp (theo Yong và Warkentin, 1975)
Kích thước tương đối của bốn khoáng vật sét phổ biến với tỷ diện tích của chúng được
nêu tr ong hình 4.15. Khoáng vật Kaolinit có kích thước lớn nhất với bề dày khoảng 1μm, trong
khi khoáng vật monmorilonit có kích thước nhỏ nhất với bề dày chỉ khoảng vài nm (nanometer).
Với tinh thể có kích thước trung bình gọi là đường kính (dạng tròn) nên thực tế, tỷ diện tích có
thể khác biệt so với tính toán ít nhiều. Dĩ nhiên, kích thước các hạt phụ thuộc nhiều vào quá trình
phong hóa và các nhân tố khác, nhưng giá trị thường dùng là trị số trung bình. Từ đó ta thấy rằng,
bề mặt hoạt động phụ thuộc vào đường kính hạt, chẳng hạn khoáng vật monmorilonit có mức độ
hoạt động mạnh hơn khoáng vật kaolinit và tương tự như vậy, bề mặt hoạt động của cát hoặc bụi
gần như là bằng không.
Ở phần 2.8, chúng ta đã xác định được độ hoạt động của sét là A=PI/hàm lượng sét (2 -
24) với các hàm lượng sét là phần trăm các hạt sét có đường kính nhỏ hơn 2μm (Skempton,
1953). Chúng ta cũng lưu ý rằng, có sự liên hệ chặt chẽ giữa tính hoạt động và loại khoáng vật
sét. Quan hệ này được trình bày trong bảng 4.1
Dường như, các hạt sét hầu như luôn hút nước một cách tự nhiên nên có các lớp nước bao
quanh mỗi tinh thể sét. Loại nước này gọi là nước hấp phụ. Trong thảo luận ở phần tới, cấu trúc
của đất và các đặc tính xây dựng của chúng sẽ phụ thuộc nhiều vào lớp nước này.
42
- Nước hấp phụ trên bề mặt các hạt sét như thể nào? Thứ nhất, các bạn cần nhớ lại các kiến
thức về hóa học hoặc về vật liệu xây dựng, nước là một phân tử lưỡng cực (hình 4.16). Mặc dù
phân tử nước trung hòa về điện, nó vẫn phân cực thành cực âm và cực dương. Do đó, các phân tử
nước sẽ bị hút tĩnh điện lên bề mặt các hạt sét. Thứ hai, nước liên kết với các tinh thể hạt sét bằng
mối liên kết hydro (nguyên tử hydro của nước bị hút bởi các nguyên tử ôxi hoặc hydroxin trên bề
mặt các hạt sét). Nhân tố thứ ba là bề mặt các hạt sét tích điện âm cũng hút các cation có mặt
trong nước. Từ khi các cation đã được hydrat hóa (hút nước) ở một số vị trí nhất đ ịnh, tùy thuộc
vào các ion, các cation cũng góp phần tạo ra sức hút của nước về bề mặt các hạt sét. Với ba nhân
tố vừa nêu, quan trọng nhất là liên kết hydro được cho là có vị trí.
Bảng 4.1 Độ hoạt động của một số khoáng vật
Khoáng vật Độ hoạt động
Montmorillonit Na 4-7
Montmorillonit Ca 1.5
Illit 0.5-1.3
Kaolinit 0.3-0.5
Halloysit (khử nước) 0.5
Halloysit (chứa nước) 0.1
Attapulgit 0.5-1.2
Allophane 0.5-1.2
Mica (muscovit) 0.2
Canxit 0.2
Thạch anh 0
Theo Skempton (1953) và Mitchell (1976)
Hình 4.16. Sơ đồ rút gọn cấu tạo phân tử
nƣớc (theo Lambe, 1953)
Lực hút của nước với bề mặt hạt sét rất lớn khi ở gần và giảm dần khi xa bề mặt. Dường
như các phân tử nước ở ngay bề mặt hạt sét bị bám rất chặt và có tính định hướng rất cao. Các đo
đạc cho thấy, một số đặc tính nhiệt động và đặc tính điện của nước nằm sát bề mặt hạt sét thì
khác biệt so với nước tự do (Mitchell, 1976).
Nguồn điện âm của bề mặt tinh thể hạt sét là kết quả của sự thay thế đồng hình (đã trình
bày ở trên) và sự không hoàn hảo trong mạng tinh thể khoáng vật, đặc biệt là trên bề mặt. Các
góc bị “phá vỡ” tạo ra sự thiếu hụt hóa trị điện tích tại các góc của tinh thể. Khi đó, tinh thể
muốn cân bằng về điện, các cation trong nước sẽ bị hạt sét hấp phụ mạnh mẽ phụ thuộc vào số
điện tích âm có mặt. Các khoáng vật sét khác nhau sẽ có sự thiếu hụt đ iện tích khác nhau và có
43
- khuynh hướng hút các cation trao đổi. Chúng được gọi là các cation có khả năng trao đổi khi một
catrion có thể trao đổi với một catrion cùng hóa trị hay với catrion gốc có hóa trị bằng một nửa.
Theo kích thước tương đối và tỷ diện tích bề mặt, khoáng vật monmorilonit có sự thiếu hụt điện
tích nhiều hơn và có khả năng trao đổi cation mạnh khoáng vật kaolinit. Ilit và chlorit nằm ở
khoảng giữa giới hạn này.
Canxi và magie là các cation có khả năng trao đổi mạnh ở trong đất, trong khi đó kali và
natri thường ít gặp hơn. Nhôm và hydro thường gặp trong các loại đất axit (pH nhỏ). Môi trường
trầm tích cũng như là các quá trình phong hóa hoặc rửa lũa… sẽ quyết định các ion có mặt trong
một đất nào đó. Dĩ nhiên, trầm tích biển chứa chủ yếu là natri và magie vì đây là hai cation phổ
biến nhất trong nước biển. Sự trao đổi và thay thế cation sẽ diễn ra phức tạp hơn nếu có mặt các
vật chất hữu cơ.
Sự thay thế hoặc trao đổi cation dễ hay khó phụ thuộc vào một vài nhân tố, đầu tiên là
hóa trị của cation. Các cation có hóa trị cao hơn sẽ dễ dàng thay thế các cation hóa trị thấp hơn.
Với các ion có cùng hóa trị, kích thước của các ion thủy hóa sẽ đóng vai trò quan trọng, khả năng
trao đổi càng lớn nếu kích thước này lớn. Sự phức tạp hơn là của Kali, cho dù có hóa trị +1 lại
vừa vặn trong lỗ 6 cạnh của lớp silicat, làm cho nó liên kết rất chặt chẽ với bề mặt các hạt sét và
có năng lực thay thế lớn hơn natri, một nguyên tố cũng có hóa trị +1. Các cation liệt kê dưới đây
theo khả năng thay thế. Khả năng cụ thể phụ thuộc vào loại hạt sét, loại ion bị thay thế và nồng
độ các ion khác nhau có mặt trong nước. Thứ tự tăng dần khả năng thay thế ion như sau:
Li+ < Na+ < H+ < K+ < NH4+≪Mg++ < Ca++≪Al+ + +
Có một số kết quả ứng dụng thực tế của quá trình trao đổi ion. Việc sử dụng các hóa chất
để ổn định hoặc gia cường đất có thể thực hiện được dưới tác dụng trao đổi ion. Chẳng hạn, dùng
vôi (Ca(OH)2) để tăng cường ổn định cho đất sét natri bằng việc thay thế các ion Na +do canxi có
khả năng trao đổi mạnh hơn natri. Sự trương nở của đất sét montmorillonit natri giảm trương nở
nhiều khi trộn thêm vôi.
Các hạt sét sẽ như thế nào khi chúng hấp phụ nước lên trên bề mặt của chúng? Hình 4.17
cho thấy, một tinh thể monmorilonit natri và kaolinit với các lớp nước hấp phụ. L ưu ý rằng bề
dày lớp nước hấp phụ là xấp xỉ bằng nhau nhưng do kích thước khác nhau nên monmorilonit có
tính hoạt động mạnh hơn, tính dẻo cao hơn, tính trương nở khả năng co ngót lớn hơn, và thể tích
thay đổi tùy theo tải trọng.
Trong mục này ta chỉ trình bày sơ lược về vấn đề rất phức tạp, đó là sự tương tác giữa
nước và các khoáng vật sét. Để hiểu sâu hơn về vấn đề này, các bạn có thể tham vấn thêm các tác
giả: Yong, Warkentin (1975) và Mitchell (1976) cùng các tài liệu khác có liên quan.
Hình 4.17. Kích thƣớc tƣơng đối của lớp hút nƣớc trong tinh thể
Na-Montmorillonit và Na-Kaolinite (theo Lambe, 1958a)
44
- 4.6 Sự tƣơng tác giữa các hạt sét
Sự kết hợp các khoáng vật sét và các lớp nước hấp phụ trên bề mặt hạt tạo nên các đặc
trưng vật lý cơ bản của cấu trúc đất. Các hạt sét riêng lẻ tương tác với nhau thông qua màng nước
hấp phụ bao quanh và sự có mặt của các ion khác nhau, các vật chất hữu cơ, nồng độ khác
nhau… đã tác động đến hoặc góp phần tạo ra sự đa dạng trong cấu trúc của đất trong tự nhiên.
Hạt sét có thể đẩy nhau, quá trình này phụ thuộc vào nồng độ ion, khoảng cách giữa các hạt và
một số nhân tố khác. Tương tự, có sự tương tác nhất định giữa các hạt riêng lẻ do tác dụng của
liên kết hydro, lực Van der Waal và một số kiểu liên kết hóa học hoặc hữu cơ khác. Lực tương tác
giữa các hạt hay điện thế giảm dần từ bề mặt khoáng vật ra ngoài, như thấy trên hình 4.18. Hì nh
dáng thực tế của đường cong điện thế phụ thuộc vào hóa trị, nồng độ ion hòa tan và bản chất các
lực liên kết.
Hình 4.18. Hóa tính, lực tĩnh
điện… điện thế tỷ lệ nghịch với
khoảng cách từ bề mặt khoáng vật
sét.
Các hạt có thể bị keo tụ hoặc tách rời (phân tán hoặc tách biệt). Chúng có thể keo tụ theo
một vài cách có thể: cạnh - mặt là thông dụng nhất, ngoài ra có thể gặp các dạng kết hợp khác
như cạnh – cạnh hoặc mặt – mặt. Xu hướng keo tụ phụ thuộc vào sự gia tăng của một hoặc một
số nhân tố sau (Lambe, 1958a): nồng độ các chất điện phân, hóa trị của các ion, nhiệt độ.
Hoặc giảm một hoặc một số các nhân tố sau: hằng số điện môi của chất lỏng trong lỗ rỗng
của đất, kích thước của các ion hydrat, pH, hấp phụ anion.
Tất cả các loại đất sét tự nhiên đều kết tủa (keo tụ) với mức độ nào đó. Chỉ trong các dung
dịch rất loãng (có chứa rất nhiều nước) các hạ t sét có thể dưới dạng phân tán và điều này có thể
xảy ra trong suốt quá trình trầm tích.
4.7 Cấu tạo và kết cấu của đất
Trong địa kỹ thuật công trình ứng dụng, cấu tạo của đất vừa có nghĩa là sự sắp xếp của
các hạt đất hoặc các hạt khoáng vật, vừa có nghĩa là lực tương tác có thể xuất hiện giữa các hạt.
Kết cấu của đất chỉ đề cập sự sắp xếp về mặt hình học giữa các hạt. Với các loại đất hạt rời (hay
đất không dính), lực tương tác giữa các hạt rất bé, vì vậy cấu tạo và kết cấu của cuội sỏi, cát và
một số loại đất bụi kích gần như giống nhau. Ngược lại, lực tương tác giữa các hạt lại tương đối
lớn với đất dính hạt mịn, theo đó cả lực tương tác và kết cấu của các loại đất này phải được coi
như cấu tạo của đất. Do đó, cấu tạo đất ảnh hưởng lớn hay có thể nói l à quyết định đặc tính xây
dựng của đất. Tất cả các cấu tạo sét hình thành trong tự nhiên được mô tả trong phần tiếp theo
chính là kết quả của sự kết hợp giữa các yếu tố này, môi trường địa chất tại nơi lắng đọng, lịch sử
45
- địa chất, lịch sử chất tải và đặc t ính của khoáng vật sét. Chúng ta nghiên cứu các khía cạnh phức
tạp này vì chúng về cơ bản ảnh hưởng đến các đặc tính kỹ thuật của đất. Trong thực tiễn xây
dựng, khi làm việc với các loại đất dính, các kỹ sư địa kỹ thuật cần phải nắm bắt được kết cấu và
cấu tạo của đất, ít nhất là về mặt định tính.
Việc mô tả đầy đủ về cấu tạo của một loại đất dính hạt mịn thì cần có kiến thức cả về lực
tương tác giữa các hạt cũng như sự sắp xếp hình học (cấu tạo) của các hạt. Điều này là rất khó
khăn, nếu không nói là không thể đo đạc trực tiếp trường lực bao quanh các hạt sét, nên phần lớn
các nghiên cứu về kết cấu đất dính chỉ liên quan đến cấu tạo của những loại đất này và thực hiện
các suy luận về lực tương tác giữa các hạt.
4.8. Kết cấu đất dính
Sự phân loại kết cấu đất dính thành các nhóm đơn giản chỉ dựa theo một số các hạt sét là
không thể làm được. Các hạt đơn lẻ hoặc các đơn vị hạt riêng lẻ rất hiếm xuất hiện trong tự nhiên
và chỉ tồn tại trong hệ nước -sét pha rất loãng trong các điều kiện môi trường nhất định. Từ các
nghiên cứu gần đây về các loại sét thực tế bằng cách dùng kính hiển vi điện tử quét (SEM), các
loại hạt sét riêng lẻ dường như luôn bị kết tụ hay liên kết với nhau thành các đơn vị kết cấu siêu
hiển vi gọi là các bó (tập hợp) – sau đó các bó tập hợp thành nhóm với nhau để thành các cụm đủ
lớn để quan sát được với kính hiển vi. Các cụm này sau đó lại tập hợp lại với nhau để hình thành
các giỏ và thậm trí nhiều nhóm dạng giỏ. Các giỏ này có thể nhìn thấy mà không cần dùng kính
hiển vi và chúng cùng với các cấu tạo vĩ mô khác ví dụ như các khe nứt… cấu tạo thành hệ thống
các cấu tạo vĩ mô. Hình vẽ sơ lược hệ thống này được đề xuất bởi Yong và Sheeran (1973) như
trên hình 4.19; bao gồm ảnh nhìn của kính hiển vi một loại sét biển của (Pusch, 1973) . Collin và
McGown (1974) đưa ra một hệ thống chi tiết hơn để mô tả các đặc tính kết cấu vi mô của các loại
đất ngoài thiên nhiên theo ba kiểu đặc trưng sau:
1. Các hạt được sắp xếp sơ cấp có sự tương tác giữa các giữa các hạt dạng đơn lẻ như các
hạt sét, b ụi, hay cát (Hình 4.20a và b) hay sự tương tác giữa những nhóm nhỏ phiến sét (Hình
4.20c) hay hạt bụi và cát có màng bao bọc (Hình 4.20d).
2. Các cụm hạt khi các đơn vị hạt có các biên vật lý xác định và chức năng cơ học riêng
biệt. Các liên kết hạt bao gồm một hoặc nhiều dạng sắp xếp sơ cấp hay các cụm hạt nhỏ hơn, như
trên hình 4.21.
3. Các khoảng rỗng trong và giữa các hạt được sắp xếp sơ cấp và các cụm hạt.
Collins và McGown (1974) đưa ra các vi ảnh của một số loại đất trong tự nhiên để minh
họa đề xuất về hệ thống phân chia của họ.
Một bức ảnh từ kính hiển vi điện tử về sét bụi tại Nauy với kết cấu dạng giỏ (ped) như
trên hình 4.22. Chú ý về mức độ phức tạp của cấu trúc, từ đó cho thấy đặc tính kỹ thuật của đất
cũng khá phức tạp.
Kết cấu vĩ mô, bao gồ m sự sắp xếp các lớp trầm tích hạt mịn, có ảnh hưởng quan trọng
đến đặc tính kỹ thuật của đất trong thực tế xây dựng. Các khe nứt, kẽ rỗng, các lớp kẹp bùn, cát,
phần hổng chứa rễ cây, sét dải và các “khuyết tật” khác thường quyết định đến đặc tính kỹ thuậ t
của toàn bộ khối đất. Thông thường, cường độ của một khối đất dọc theo các khe hoặc vết nứt
giảm đi rất nhiều so với ở chỗ đất còn nguyên thổ, vì vậy các khuyết tật xuất hiện theo hướng
không mong muốn với các ứng suất công trình tác dụng thì sự mất ổn đ ịnh hay sự phá hoại có thể
xảy ra. Trong một ví dụ khác, sự thoát nước của sét có thể bị ảnh hưởng rõ rệt khi có sự hiện diện
46
- của các lớp xen kẹp bụi hoặc cát. Bởi vậy, với tất cả các sự cố liên quan đến ổn định, lún, hay
thấm mất nước, các kỹ sư địa kỹ thuật phải tìm hiểu kỹ lưỡng kết cấu vĩ mô của đất sét.
Hình 4.19. Sơ đồ đơn giản của cấu trúc vi mô và vĩ mô của đất
do Yong và Sheeran (1973) cùng Pusch (1973) đề xuất: 1. Bó, 2.
Cụm, 3. Giỏ, 4. Hạt bụi, 5. Vi lỗ rỗng, 6. Vĩ lỗ rỗng
47
- Hình 4.20. Sơ đồ đơn giản thể hiện sự sắp xếp ban đầu của các hạt: (a) sự tƣơng tác
giữa các khoáng vật sét riêng lẻ; (b)sự tƣơng tác giữa các hạt bụi hoặc cát; (c) các
nhóm khoáng vật sét tƣơng tác qua lại với nhau; (d) sự tƣơng tác giữa các hạt bụi và
cát (có lớp vỏ bao bọc); (e) sự tƣơng tác giữa các hạt đƣợc phân biệt một phần (theo
Collins và McGown, 1974)
Theo quan điểm xây dựng, kết cấu vi mô về cơ bản có vai trò quan trọng hơn, mặc dù nếu
hiểu sâu về nó sẽ giúp hiểu biết tổng quát về đặc tính xây dựng của đất. Kết cấu vi mô của sét
phản ánh toàn bộ lịch sử hình thành và lịch sử chất tải của nền đất. Gần như tất cả những tác động
xảy ra với khối đất mà có ảnh hưởng đến đặc tính xây dựng của đất thì về mức độ nào đó sẽ được
ghi dấu trong kết cấu vi mô của đất. Kết cấu vi mô phản ánh lịch sử và môi trường trầm tích, quá
trình phong hóa (cả phong hóa hóa học và phong hóa vật lý), trong tác động lịch sử ứng suất của
đất, có nghĩa là tất cả các biến đổi gây ra do địa chất và do con người.
Nghiên cứu gần đây về kết cấu vi mô của sét đã chỉ ra rằng đơn nhân tố lớn nhất ảnh
hưởng đến kết cấu cuối cùng của một loại sét nào đó là môi trường điện hóa tại thời điểm chìm
lắng. Các kết cấu bông hay kết tụ có thể hình thành trong suốt quá trình lắng đọng ở gần như tất
cả các môi trường trầm tích, như đại dương, nước lợ, hay nước ngọt. Mức độ mở của kết cấu có
dường như chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi loại khoáng sét cũng như lượng và góc cạnh của thành
48
- phần hạt bụi có mặt. Các hạt bụi được cho là có một lớp màng mỏng hạt sét có định hướng rõ
ràng hay thậm chí là lớp vật liệu vô định hình song song với lớp bề mặt. Một số tiếp xúc giữa hạt
– hạt của hạt bụi được thể hiện trên hình 4.23, nhưng ở đây rất khó làm sáng tỏ tiếp xúc khoáng
thực nào xuất hiện trong các đất sét.
Hình 4.21. Sơ đồ đơn giản thể hiện sự sắp xếp ban đầu của các hạt: (a), (b) và (c) các
chất liên kết; (d) hợp thể không quy tắc đƣợc liên kết; (e) hợp thể không quy tắc hình
thành sự sắp xếp tổ ong; (f) hợp thể có quy tắc các hạt bụi hay cát tƣơng tác; (g) hợp
thể có quy tắc hỗn hợp các hạt tƣơng tác nhau; (h) các chùm sét đƣợc đan vào nhau;
(i) các chùm sét đan vào nhau với thể vùi là hạt bụi; (j) hỗn hợp hạt sét; (k) hỗn hợp
hạt thô (theo Collins và McGown, 1974)
49
- Hình 4.22. Sét pha vùng Drammen: giỏ bụi và sét lớn liên kết yếu với các giỏ khác
(theo Barden và Mc Grown, 1973)
Tóm lại, kết cấu của phần lớn các loại đất sét trong tự nhiên rất phức tạp. Đặc tính kỹ
thuật của chúng chịu ảnh hưởng rất lớn bởi cả kết cấu vĩ mô và vi mô. Hiện tại, không có liên hệ
về định lượng tồn tại giữa kết cấu vi mô và các đặc tính xây dựng, nhưng có một sự đánh giá về
mức độ phức tạp về kết cấu của các loại đất dính và mối liên hệ giữa chúng với đặc tính kỹ thuật
của đất sẽ rất quan trọng cho người kỹ sư.
50
- Hình 4.23. Ảnh SEM cho thấy
sự tiếp xúc hạt với hạt của
loại sét lẫn sạn sỏi Thụy Điển
(theo McGown, 1973)
4.9 Kết cấu đất không dính
Các hạt của đất mà có thể lắng chìm trong một chất lỏng huyền phù của đất một cách độc
lập với các loại hạt khác (thường lớn hơn 0.01 đến 0.02 mm) sẽ tạo thành một loại kiến trúc được
gọi là kiến trúc hạt đơn. Đây là kiểu kiến trúc, ví dụ như đống cát hoặc sỏi, và có thể là hỗn hợp
cát – b ụi trộn lẫn. Trọng lượng của các hạt làm cho chúng lắng xuống và trở nên cân bằng tại đáy
của chất lỏng ngay khi vận tốc chất lỏng không giữ được các hạt ở thể vẩn lâu hơn là được .
Môi trường lắng đọng bao gồm cả không khí (đất hoàng thổ, các đụn cát; các hạt có cỡ
trung bình < 0.05 mm) và nước (sông, bờ biển..)
(a) Xốp
(b) Chặt
Hình 4.24. Kết cấu đơn đất hạt rời
Kết cấu hạt đơn, như trên hình 4.24, có thể “xốp” (với độ lỗ rỗng lớn hay khối lượng thể
tích nhỏ) hay “chặt” (độ lỗ rỗng nhỏ hay khối lượng thể tích lớn). Dựa vào đường cấp phối hạt
cũng như độ chặt xít hay sự sắp xếp của các hạt, phạm vi thay đổi của hệ số rỗng là khá lớn. Bảng
4-2 liệt kê một số giá trị đặc trưng của các loại đất hạt rời. Dưới một số điều kiện chìm lắng với
vật liệu rời có thể tạo thành kết cấu tổ ong (Hình 4.25), đây là kết cấu có độ lỗ rỗng rất lớn, có
51
nguon tai.lieu . vn
