Tổng quan về công nghệ đất trộn xi măng: cơ chế hình thành và nhân tố ảnh hưởng đến cường độ đất – xi măng

Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 82 
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐẤT TRỘN XI MĂNG: 
CƠ CHẾ HÌNH THÀNH VÀ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG 
ĐẾN CƯỜNG ĐỘ ĐẤT – XI MĂNG 
ThS. Lương Thị Bích 
Khoa Cầu đường, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung 
Tóm tắt: Trên cơ sở thu thập, tổng hợp các kết quả nghiên cứu của nhiều nhà 
khoa học trên thế giới về lĩnh vực xử lý nền đất yếu bằng công nghệ đất trộn xi 
măng. Bài viết trình bày tổng quan về cơ chế hình thành cũng như những nhân tố 
cơ bản ảnh hưởng đến cường độ và ổn định của hỗn hợp xi măng đất. Trên cơ sở 
đó làm nền tảng cho những nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng công nghệ cho 
những công trình cụ thể tại Việt Nam. 
Từ khóa: Đất - xi măng, soilcrete. 
1. Đặt vấn đề 
Đối với nền móng công trình xây 
dựng, đất là môi trường chịu toàn bộ tải 
trọng công trình. Tính chất cơ lý của đất 
(cường độ, tính biến dạng, tính thấm, 
v.v.) có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định, 
biến dạng, và hiệu quả khai thác công 
trình. Với xã hội ngày càng phát triển, 
nhu cầu xây dựng các công trình cầu 
đường, bến cảng v.v... ngày càng nhiều 
và trong nhiều trường hợp, vị trí công 
trình phải xây dựng ở nơi có địa chất 
yếu, vì vậy việc gia cố xử lý là cần thiết 
trước khi xây dựng công trình. Hiện nay 
cũng có rất nhiều giải pháp xử lý đất 
yếu, tùy thuộc vào tình hình đất nền, 
loại và qui mô công trình, mức độ thuận 
lợi, thời gian thi công, kinh tế, môi 
trường mà chọn giải pháp cho hợp lý. 
Trong đó có một giải pháp đang được 
quan tâm ở Việt Nam mà nó đã phát 
triển và ứng dụng ở nhiều nước trên thế 
giới đó là tận dụng đất tại chỗ trộn với xi 
măng gọi là công nghệ đất trộn xi măng. 
Mục đích gia cố của công nghệ này là 
làm tăng cường độ, khống chế biến 
dạng, giảm tính thấm của đất yếu hoặc 
để vệ sinh các khu nhiễm độc. Nói 
cách khác là làm thay đổi đất, nâng cao 
chất lượng của đất bằng cách cứng hóa 
tại chỗ. 
Công nghệ đất trộn xi măng đã có 
rất nhiều các đánh giá tổng hợp được 
trình bày trong suốt những thập niên qua 
tại các hội nghị, nhiều bài báo nghiên 
cứu kết quả đất trộn xi măng bằng thực 
nghiệm trong phòng hay hiện trường với 
các điều kiện địa chất khác nhau, trong 
đó có cả những kết quả đồng thuận và 
không đồng thuận của các nhà nghiên 
cứu. Do đó, việc nghiên cứu tổng quan 
lại, từ đó rút ra được cơ sở lý thuyết áp 
dụng phù hợp với điều kiện địa chất 
công trình thực tế ở Việt Nam là điều 
cần thiết. 
2. Cơ chế hình thành cường độ đất -
xi măng 
Xử lý đất yếu bằng đất trộn xi 
măng, mục đích chính là dựa vào các 
phản ứng hóa học giữa cát pha trong đất 
với các thành phần hóa học, khoáng vật 
của xi măng theo chiều hướng có lợi làm 
Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 83 
tăng khả năng làm việc, chỉ tiêu cơ lý 
của đất. 
Trong đất gồm 3 pha: Pha rắn gồm 
thành phần khoáng và thành phần hạt 
chiếm tỷ lệ lớn trong đất, pha lỏng 
chính là nước trong đất gồm có nước 
trong hạt khoáng vật, nước liên kết 
mặt ngoài và nước tự do chứa trong 
các lỗ rỗng, pha khí: nếu các lỗ rỗng 
trong đất mà không chứa đầy nước thì 
khí chiếm chỗ trong các lỗ rỗng ấy. 
Trong đất sét gồm 3 khoáng vật chính: 
Ilit, Kaolinít, Montmoriolít. Trong số 
đó thì khoáng vật Montmoriolít đóng 
vai trò quan trọng nhất trong quá trình 
tương tác với các vật chất mới được 
đưa từ bên ngoài vào. 
Trong xi măng Portland có bốn 
thành phần khoáng vật chính, bao gồm 
Tricalcium Silicate (C3S) (3CaO.SiO2), 
Dicalcium Silicate (C2S) (3CaO.SiO2), 
Tricalcium Aluminate (C3A) 
(3CaO.Al2O3) và chất rắn hòa tan như 
Tetracalcium Alumino-Ferrit (C4A) 
(4CaO.Al2O3). Bốn phần tử chính này 
quyết định cường độ và các tính chất 
khác của ximăng. Khi gặp nước lỗ rỗng 
trong đất, lập tức xảy ra phản ứng thủy 
hóa giữa các khoáng trong xi măng với 
nước tạo các sản phẩm chính là 
Hydrated Calcium Silicate (C3SHx, 
C3S2Hx), Hydrated Calcium Aluminate 
(C3SAx, C3S2Ax) và vôi tôi Ca(OH)2. 
Hydrate calcium-silicate (C3SHx, 
C3S2Hx) sinh ra là chất không tan, tồn tại 
ở dạng keo sệt bao phủ các hạt xi măng, 
cốt liệu lại với nhau tạo thành kết cấu 
khung có cường độ nhất định bao bọc 
các hạt đất chưa bị thay thế. Còn sản 
phẩm vôi tôi (Ca(OH)2, một phần cũng 
có thể kết hợp với các pha Hydrate khác, 
kết tinh được một phần. Một phần phân 
chia ra các ion Ca2+ và (OH)- làm tăng 
chỉ số pH của nước lỗ rỗng. Với điều 
kiện pH cao, ở nhiệt độ bình thường xảy 
ra các phản ứng giữa Ca2+ và puzolan 
(SiO2 và Al2O3) có trong khoáng chất bề 
mặt hạt sét hoặc vật liệu vô định hình. 
Phản ứng này được gọi là phản ứng 
pozzolanic, sản phẩm của phản ứng 
pozzolanic (CSH, CAH) hóa rắn theo 
thời gian bảo dưỡng, tăng cường độ và 
độ ổn định đất yếu. 
Phản ứng hóa học giữa các thành 
phần trong hỗn hợp đất xi măng được 
thể hiện trong các phương trình sau: 
C3S + H2O →C3S2Hx (hydrate gel)+Ca(OH)2 (1) 
Ca(OH)2 → Ca2+ + 2 (OH)- (2) 
Ca2+ + 2 (OH)- + SiO2 (Soil silica) → CSH (3) 
Ca2+ + 2(OH)- + Al2O3(Soil alumina)→ CAH (4) 
Khi pH<12,6 thì xảy ra phản ứng: 
C3S2Hx → CSH + Ca(OH)2 (5) 
Sự hình thành của CSH chỉ có 
ích khi nó được hình thành bởi phản 
ứng pozzolanic của vôi và silicat trong 
đất, nhưng nó sẽ bất lợi khi CSH được 
tạo thành từ sự tiêu hủy C3S2Hx. Vì 
những đặc tính độ bền phát sinh của 
C3S2Hx thì ưu việt hơn CSH. Như vậy 
từ sự phân tích các phương trình phản 
ứng hóa học trên, có thể kết luận nguyên 
lý làm việc của đất trộn xi măng theo 
trình tự như sau: Xi măng sau khi trộn 
với đất sẽ sinh ra một loạt các phản ứng 
hóa học rồi dần đóng rắn lại: Các phản 
ứng hóa học chủ yếu của chúng là: 
+ Phản ứng thủy giải và thủy hóa 
xi măng 
+ Tác dụng của các hạt đất với 
các chất thủy hóa của ximăng 
 + Tác dụng cácbonát hóa (đóng rắn) 
Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 84 
3. Các nhân tố ảnh hưởng đến cường 
độ đất – xi măng (soilcrete) 
3.1. Loại xi măng 
Sự hình thành cường độ cọc đất 
xi măng là dựa vào các phản ứng giữa 
các thành phần hóa học của xi măng 
với các thành phần khoáng của đất, tạo 
ra những sản phẩm có lợi, làm tăng 
cường độ, cải thiện các đặc trưng cơ lý 
của đất. Như vậy có nghĩa là cường 
độ, mức độ cải thiện của đất nền là 
phụ thuộc thành phần hóa học của chất 
kết dính. Với một điều kiện nhất định, 
các loại chất kết dính khác nhau thì 
cho kết quả khác nhau. Nhiều nghiên 
cứu trên thế giới cho thấy sử dụng xi 
măng portland (PC) làm chất gia 
cường mang lại hiệu quả cao hơn so 
với việc sử dụng vôi, tro bay trong 
hầu hết các điều kiện khác nhau. 
Saitoh (1988), làm thí nghiệm cho 
hai loại xi măng đó là xi măng pooclăng 
và xi măng trộn xỉ lò cao loại B cho hai 
loại đất sét được lấy ở Cảng Yokohama 
và cảng Osaka. Mỗi loại được thí 
nghiệm cho ba hàm lượng ximăng 
100kg/m3, 200kg/m3, 300kg/m3, cùng 
thời gian bảo dưỡng. Kết quả cho thấy 
tỷ số qutc/qu28 của đất trộn xi măng xỉ 
lò cao loại B lớn hơn cho cả hai loại 
đất (Hình 1). 
Hình 1. Ảnh hưởng của loại xi măng đến cường độ soilcrete 
3.2. Hàm lượng xi măng 
Ngoài loại xi măng, thì hàm lượng 
xi măng cũng quyết định đến cường độ 
đất nền sau khi xử lý. Hàm lượng xi 
măng tăng thì cường độ soilcrete tăng. 
Mối quan hệ giữa cường độ soilcrete và 
hàm lượng xi măng thể hiện ở Hình 2. 
Tuy nhiên, khi hàm lượng xi măng 
vượt quá một giá trị nào đó, cường độ 
của soilcrete giảm, hàm lượng xi măng 
thêm vào tùy thuộc loại đất và thuộc tính 
mỗi loại đất, vì vậy, việc xác định hàm 
lượng xi măng tối thiểu cho từng loại đất 
gia cố là được yêu cầu để cải thiện 
cường độ của đất cần xử lý. 
Hình 2. Ảnh hưởng của hàm lượng xi 
măng đến cường độ soilcrete 
Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 85 
3.3. Thời gian bảo dưỡng 
Qua nghiên cứu của nhiều tác giả 
đưa ra kết luận cường độ soilcrete tăng 
theo thời gian bảo dưỡng, sự gia tăng 
cường độ là do tốc độ của phản ứng 
pozzolanic giữa sản phẩm của quá trình 
thủy hóa xi măng với các khoáng chất 
trong đất chậm, kéo dài nên cường độ 
của đất nền được gia tăng theo thời gian. 
Tuy nhiên, khi thời gian bảo dưỡng đủ 
lâu (lớn hơn 4 tháng) thì cường độ 
soilcrete hầu như tăng không đáng kể 
(Hình 3). 
Hình 3. Ảnh hưởng thời gian bảo dưỡng đến cường độ Soilcrete ứng với các hàm 
lượng ximăng khác nhau 
Michell (1981) đã thiết lập mối 
quan hệ giữa cường độ nén không nở 
hông với hàm lượng xi măng và thời 
gian bảo dưỡng theo (6). 
qu (t)=qu (t0) + K log (t/t0) (6)
 Trong đó: qu(t): cường độ nén nở 
hông ở t ngày (kPa), qu(t0): cường độ 
nén nở hông ở t0 ngày (kPa) (to < t), K= 
480.C với đất rời và 70.C với đất mịn, 
C: hàm lượng xi măng (% thể tích). Qua 
phương trình (6) rõ ràng là cường độ 
cọc đất xi măng tăng theo thời gian và 
tỷ lệ tăng này còn phụ thuộc vào hàm 
lượng xi măng, tỷ lệ nước/ xi măng thể 
hiện ở Hình 3. 
3.4. Loại đất 
Những tính chất cơ lý của đất nền 
như cỡ hạt, lượng nước, giới hạn 
Atterbergs, các loại khoáng vật trong 
đất, khả năng trao đổi ion, hàm lượng 
silicat và aluminat, độ pH của nước 
trong lỗ rỗng và hàm lượng chất hữu cơ 
có tác động đến tính chất của đất sau khi 
xử lý. 
Nhiều nhà nghiên cứu như Kaki và 
Yang (1991), Tan et al. (2002), Bell 
(1993) đã làm thí nghiệm cho ba loại đất 
đó là cát, sét và sỏi với hàm lượng xi 
măng tăng dần kết quả cho thấy đối với 
đất cát trộn xi măng đạt cường độ cao 
hơn và hao tốn lượng xi măng ít hơn so 
với đất sét và sỏi, kết quả này thể hiện ở 
Hình 1. Đất có thành phần hạt sét kích 
cỡ nhỏ càng nhiều, diện tích bề mặt tiếp 
xúc lớn, để đạt cường độ yêu cầu thì đỏi 
hỏi lượng xi măng lớn để liên kết hết với 
cát hạt sét. 
Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 86 
Hình 4. Ảnh hưởng của loại đất đến 
cường độ soilcrete 
3.5. Độ ẩm 
Theo kết quả nghiên cứu của nhiều 
tác giả kết luận với một độ ẩm tối ưu thì 
cường độ soilcrete là tốt nhất. Nước lỗ 
rỗng đóng vai trò là chất tham gia phản 
ứng thủy hóa hình thành cường độ sau 
khi xử lý và đồng thời là dung môi cho 
phản ứng pozzolanic để tăng cường độ 
theo thời gian. Vì vậy, để cường độ của 
hỗn hợp được phát triển tốt đòi hỏi hàm 
lượng nước trong hỗn hợp đất xi măng 
phải lớn hơn một giá trị tối thiểu. Nếu 
hàm lượng nước quá cao sẽ ảnh hưởng 
đến sự hình thành cường độ của hỗn hợp 
đất xi măng. 
Hình 5. Ảnh hưởng của hàm lượng nước 
tới cường độ soilcrete 
3.6. Độ pH 
Độ pH của đất có ảnh hưởng đến 
cường độ soilcrete, độ pH cao là một 
trong những điều kiện thuận lợi cho 
phản ứng pozzolanic xảy ra, để hình 
thành cường độ cho soilcrete. Elias et al. 
(2001) cho rằng độ pH trong đất phải 
lớn hơn 5 thì cường độ soilcrete mới 
phát triển. 
3.7. Hàm lượng hữu cơ 
Hàm lượng hữu cơ trong đất ảnh 
hưởng đến cường của soilcrete, hàm 
lượng hữu cơ càng cao thì cường độ hỗn 
hợp càng giảm. 
Đất có hàm lượng hữu cơ cao, và 
những nơi mà hàm lượng muối trong đất 
lớn, đặc biệt là muối Sunfat, chúng có thể 
ngăn cản quá trình Hydrate của xi măng 
làm giảm cường độ của đất sau xử lý. 
Cơ chế của sự can thiệp hàm lượng 
hữu cơ trong việc tăng cường độ 
soilcrete được cho như sau: 
+ Chất hữu cơ có thể làm thay đổi 
thành phần và cấu trúc của sản phẩm 
phản ứng pozzolanic (C-S-H), ở dạng 
keo để liên kết các hạt đất và cũng có thể 
làm thay đổi cả về loại và số lượng của 
một số sản phẩm hidrat khác. 
+ Chất hữu cơ giữ nước làm hạn 
chế lượng nước cho quá trình hidrát hóa. 
+ Chất hữu cơ phản ứng với 
nhôm silicát và các ion kim loại trong 
đất làm cản trở quá trình hidrat hóa. 
Trong đất có hàm lượng hữu cơ 
cao, cần phải rất thận trọng khi dùng 
phương pháp trộn xi măng, khi cần thiết 
phải tăng lượng xi măng hoặc phải dùng 
các phụ gia đóng rắn nhanh. 
Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 87 
3.8. Ảnh hưởng của điều kiện trộn 
Chất lượng, cường độ khối xi 
măng đất còn phụ thuộc vào mức độ 
đồng đều trong quá trình thi công. Nền 
đất của một công trình có thể có nhiều 
tầng địa chất khác nhau, vì vậy khi thi 
công ngoài việc bơm lượng xi măng 
phù hợp cho tầng đất đó còn phải tính 
toán chọn thiết bị thi công sao cho hiệu 
quả nhất. Mục đích của quá trình trộn 
là phân tán chất kết dính vào trong đất 
tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình xảy 
ra các phản ứng hóa học. Các nhân tố 
ảnh hưởng liên quan đến quá trình thi 
công bao gồm: 
+ Tính lưu biến của đất; hàm 
lượng chất kết dính; 
+ Áp suất và hàm lượng khí nén; 
+ Hình dạng cánh trộn liên quan 
đến phân bố xi măng; 
+ Số lượng lưỡi trộn; 
+ Năng lượng trộn, tốc độ rút và 
quay của cần trộn; 
+ Năng lượng đầm. 
4. Kết luận 
Loại xi măng có ảnh hưởng đến 
cường độ nén của xi măng – đất. Cường 
độ của xi măng – đất tăng đáng kể theo 
hàm lượng xi măng trong vòng một 
tháng tuổi và tiếp tục tăng theo thời gian 
với tốc độ chậm hơn. Cùng hàm lượng 
xi măng đất cát trộn xi măng cho cường 
độ cao hơn so với đất sét. Độ ẩm trong 
đất ảnh hưởng đến cường độ xi măng - 
đất, khi vượt quá giá trị độ ẩm tối ưu thì 
độ ẩm càng tăng cường độ xi măng - đất 
càng giảm. Hàm lượng hữu cơ trong đất 
càng cao làm ngăn cản quá trình hydrat 
hóa của xi măng, làm giảm cường độ 
nén. Khi độ pH > 5, độ pH càng tăng thì 
cường độ xi măng - đất càng tăng. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] A.H.M. Kamruzzaman. 2002. Physico-Chemical and Engineering of cement treated 
Singapore marine clay, M.Eng. Thesis, National University of Singapore, Singapore, 184 pp. 
[2] S. Bhattacharja and J.I. Bhatty. 2003. Comparative Performanceof Portland 
Cement and Lime Stabilization of Moderate to High Plasticity Clay Soils RD125, 
Portland Cement Association, Skokie, Illinois, USA, 21 pp. 
[3] Coastal Development Institute of Technology (CDIT 2002). 2002. The deep mixing 
method: principle, design and construction, Tokyo, Balkema, 123 pp. 
[4] B.B.K. Huat, S. Maail, and T.A. Mohamed. 2005. Effect of Chemical Admixtures 
on the Engineering Properties of Tropical Peat Soils, American Journal of Applied 
Sciences, Vol. 7, pp. 1113-1120. 
[5] T.S.Tan, T.L. Goh, and K.Y. Yong. Properties of Singapore Marine Clays 
Improved by Cement Mixing, Geotechnical Testing Journal, Vol. 25, No. 4, 12. 
[6] J. Jacobson. 2002. Factors Affecting Strength Gain in Lime - Cement Columns and 
Development of a Laboratory Testing Procedure, MA. Thesis, the Faculty of the 
Virginia Polytechnic Institute and State University, Virginia, 62 pp. 
[7] S. Horpibulsuk, N. Miura, and T.S. Nagaraj. 2003. Assessment of strength 
development in cement-admixture high water content clays with Abram’s law a basis, 
Geotechnique 53, No. 4, pp. 439-444. 
[8] M. Janz and S.E. Johansson. 2002. The Function of Different Binding Agents in Deep 
Stabilization, Swedish Geotechnical Institute, SE-581 93 Linkoping, Sweden, 47 pp.