Đặc điểm cát nội đồng ở vùng ven biển tỉnh Quảng Trị và tiềm năng làm vật liệu xây dựng thay thế cát sông

Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” DOI: 10.15625/vap.2019.00092 77 ĐẶC ĐIỂM CÁT NỘI ĐỒNG Ở VÙNG VEN BIỂN TỈNH QUẢNG TRỊ VÀ TIỀM NĂNG LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG THAY THẾ CÁT SÔNG Nguyễn Văn Canh 1, Hồ Trung Thành 1, Lê Duy Đạt 1 1 Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Email: nvcanh.dhkh@gmail.com TÓM TẮT Bài báo giới thiệu đặc điểm phân bố, thành phần khoáng vật, hóa học, thành phần hạt và tính chất cơ lý của một số thành tạo cát nội đồng khu vực đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị (cát vàng hệ tầng Phú Xuân và cát xám trắng hệ tầng Nam Ô), từ đó đánh giá tiềm năng thay thế cát sông trong chế tạo bê-tông và vữa xây dựng. Kết quả cho thấy cát ở đây có diện phân bố rộng (gần 200 km 2), phần lớn là cát hạt trung đến mịn, kết cấu xốp đến chặt; thành phần khoáng vật chủ yếu gồm thạch anh, khoáng vật nặng chiếm không đáng kể. Đặc điểm thành phần hạt và một số tính chất vật lý như modul độ lớn của cát bước đầu cho thấy chúng có tiềm năng trong chế tạo bê-tông mác vừa và thấp, vữa xây; tuy nhiên cần có các đánh giá chi tiết cũng như có các nghiên cứu khả năng làm việc của vật liệu ở các tỉ lệ phối trộn với cát sông nhằm định hướng sử dụng tối ưu cho các thành tạo cát khu vực này. Từ khóa: Cát nội đồng, Quảng Trị, vật liệu xây dựng. 1. GIỚI THIỆU Các nghiên cứu cát nội đồng, cát sa mạc làm nguồn vật liệu thay thế cát sông gần đây cho thấy bê tông và vữa xây chế tạo từ một phần cát biển (ở Sri Lanka [6]) có độ bền nén và khả năng làm việc tốt nhất ở tỉ lệ phối trộn 50 % cát biển hoặc cát sa mạc và 50 % cát sông [1, 2]. Cát sa mạc cũng có khả năng thay thế cát sông làm vữa trát tường mà không cần qua rây sàng do mức độ chọn lọc hạt tốt [2]. Ở Việt Nam, hầu hết các nghiên cứu cát nội đồng cũng nhận định: bằng các phương thức phối trộn hoặc kết hợp với các loại phụ gia thông thường khác nhau hoàn toàn có thể sử dụng cát nhiễm mặn, cát mịn làm vật liệu cho bê tông và vữa xây [5, 7]. Quảng Trị có dải đồng bằng ven biển được tạo bởi các trầm tích Đệ tứ nhiều loại hình cát khác nhau và có trữ lượng khá lớn (Hình 1). Cho đến nay, nguồn cát, cuội sỏi xây dựng hầu như chỉ khai thác trầm tích sông hiện đại (aQ2 3) ở các sông Bến Hải, sông Hiếu, sông Thạch Hãn (mỏ cát An Đôn, mỏ cát cuội sỏi Hải Lệ, ). Nhằm giảm tải lượng cát sông đang thiếu hụt trầm trọng ở khu vực, bài báo này giới thiệu một số đặc điểm của cát nội đồng vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị làm cơ sở ban đầu cho việc đánh giá khả năng thay thể cát sông trong vật liệu bê tông và vữa xây dựng ở khu vực nghiên cứu. 2. KHU VỰC NGHIÊN CỨU Khu vực nghiên cứu thuộc phần diện tích đồng bằng của các huyện Vĩnh Linh, Gio Linh, Triệu Phong và Hải Lăng, tỉnh Quảng Trị (Hình 1). Đặc điểm chung của khu vực này là hình thành trên đới sụt lún ven Biển Đông nên được lấp đầy bởi các thành tạo địa chất Đệ Tứ đa dạng về nguồn gốc, gồm các thành tạo: sông - sông lũ tuổi Pleistocen giữa - muộn (a, apQ1 2-3), cuội sỏi, cát lần bột sét màu vàng tuổi Pleistocen muộn (a, am, mQ1 3), basalt olivin cấu tạo đặc sít và lỗ hổng tuổi Holocen sớm (βQ2 1 ), cát, sét màu xám vàng, xám trắng, xám đen tuổi Holocen giữa (am, mQ2 2 ), cát, cuội sỏi lẫn bột sét màu xám vàng tuổi Holocen giữa - muộn (am, mQ2 2-3), cát, bột, sét tuổi Holocen muộn (a, am, amb, m, mvQ2 3). Trong đó, đối tượng cát nội đồng trong bài báo này phân bố trong hai thành tạo: cát nguồn gốc biển tuổi Pleistocen muộn hệ tầng Phú Xuân và cát nguồn gốc biển tuổi Holocen giữa hệ tầng Nam Ô. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 78 3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Công tác khảo sát thực địa được tiến hành nhằm xác minh ranh giới trên mặt kết hợp lấy mẫu trên mặt và dưới sâu bằng phương pháp khoan tay (Hình 1). Thành phần hạt và tính chất cơ lý được phân tích tại Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Huế theo tiêu chuẩn TCVN 4198-1995. Thành phần khoáng vật và trọng sa được phân tích tại Viện Địa chất và Khoáng sản Việt Nam bằng phương pháp soi nổi dưới kính hiển vi Optika. Thành phần hóa học cơ bản của cát được xác định bằng phương pháp hóa silicat theo tiêu chuẩn TCVN 1837-2008 tại Trung tâm Phân tích thí nghiệm địa chất. Hình 1. Sơ đồ địa chất khu vực đồng bằng ven biển Quảng Trị (biên tập theo [4]). 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trên cơ sở thu thập tài liệu các công trình khoan khảo sát địa chất công trình, kết hợp khảo sát thực địa và kết quả các phân tích thành phần vật chất, đồng thời với tính chất bước đầu nghiên cứu tìm nguồn vật liệu thay thế cát sông trong bê tông và vữa xây, nhóm tác giả tập trung vào hai loại hình cát trầm tích biển Pleistocen thượng phần trên của hệ tầng Phú Xuân và trầm tích biển Holocen trung hệ tầng Nam Ô trong khu vực nghiên cứu. 4.1. Đặc điểm phân bố Các thành tạo cát nguồn gốc biển tuổi Pleistocen thượng hệ tầng Phú Xuân khu vực đồng bằng ven biển Quảng Trị phân bố chủ yếu ở phía Bắc huyện Vĩnh Linh với diện lộ khoảng 40 km2, một ít lộ ở phía Tây Nam huyện Hải Lăng (diện lộ chỉ khoảng 4,5 km2). Trong khi đó, cát biển hệ tầng Nam Ô có diện lộ khá rộng với hơn 140 km2, chiếm phần lớn diện tích dải cát ven biển hai huyện Triệu Phong - Hải Lăng và Tây Bắc huyện Gio Linh (Hình 1). Về độ sâu phân bố, các lỗ khoan tay và tài liệu thu thập cho thấy trầm tích Pleistocen hệ tầng Phú Xuân đạt tới độ sâu từ 8 m đến 32 m; trầm tích Holocen hệ tầng Nam Ô có chiều dày thay đổi phức tạp, dao động 1-3 m đến 5-10 m, chỗ sâu nhất đạt tới 30,5 m (LK3QT). 4.2. Đặc điểm thạch học - khoáng vật Hệ tầng Phú Xuân: Cát hệ tầng Phú Xuân khu vực đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị thuộc loại cát màu vàng nghệ. Thành phần khoáng vật gồm thạch anh 79-88 %, hydromica 2-8 %, kaolinit 2-8 %, felspat 1-4 %, gơtit 1-4 %. Khoáng vật nặng chiếm không đáng kể, chủ yếu gồm: pyrit, ilmenit, limonit, zircon, amphibol, anatas, rutil, tremolit, disten, silimanit... Hóa thạch tìm thấy chủ yếu là các bào tử phấn hoa thực vật, Foraminifera và tảo tuổi Pleistocen muộn. Hệ tầng Nam Ô: Cát hệ tầng này gồm có 3 dạng: cát bụi xốp, cát nhỏ xốp - chặt vừa và cát vừa chặt vừa trắng xám. Trong điều kiện phân bố xen kẹp với các thành tạo trầm tích hạt mịn loại sét màu tốt, cát trắng xám Nam Ô bị biến đổi màu phức tạp. Khoáng vật chủ yếu của cát gồm thạch anh 97-99 %, còn lại là các khoáng vật nặng như ilmenit, zircon, rutil, anatas, leucoxene, ... Trầm tích mQ2 2 nghèo di tích cổ sinh, ở phần thấp của mặt cắt thường gặp sò hến. Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” 79 4.3. Thành phần hóa học Hệ tầng Phú Xuân: Thành phần hóa học cát vàng nghệ bao gồm SiO2: 76,77-90,03 %, TiO2: 0,37-0,75 %, Al2O3: 3,25-14,95 %, Fe2O3: 1,50-2,61 %, FeO: 0,06-0,13 %, CaO: 0,02-0,05 %, MgO: 0,09-0,63 %, Na2O < 0,01 %, K2O: 0,16-1,47 % (Bảng 1). Hệ tầng Nam Ô: Thành phần hóa học cát xám trắng Nam Ô tương đối đồng đều, chiếm ưu thế là hàm lượng oxit silic với khoảng thay đổi trong phạm vi nhỏ 98,12-99,24 %, oxit nhôm 0,06-0,22 %, oxit sắt 0,04-0,06 %, hàm lượng MKN 0,09-0,24 %, các oxit còn lại chiếm hàm lượng không đáng kể (Bảng 1). Bảng 1. Thành phần hóa học (trung bình) cát hệ tầng Phú Xuân và Nam Ô, Quảng Trị (%). Hệ tầng SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 Na2O K2O CaO MgO MKN Cát vàng nghệ Phú Xuân 83,40 9,10 0,56 2,15 <0,01 0,82 0,04 0,36 - Cát trắng xám Nam Ô 99,16 0,15 0,07 0,05 0,02 0,04 0,03 0,01 0,19 4.4. Tính chất cơ lý Nhằm bước đầu đánh giá khả năng thay thế cát sông trong chế tạo vữa và bê-tông nên trong phạm vi nghiên cứu này, chúng tôi chủ yếu quan tâm đến thành phần hạt của cát, một số chỉ tiêu cơ lý khác được kết hợp phân tích và thống kê ở bảng 2. Hệ tầng Phú Xuân: Cát hệ tầng Phú Xuân ở Quảng Trị có màu vàng nghệ, hạt trung, kết cấu chặt vừa. Hàm lượng cấp hạt 2,0-0,5 mm chiếm 15,1 %, 0,5-0,25 mm chiếm cao nhất với 42,7 %, cấp hạt 0,25-0,1 mm chiếm 16,8 % và cấp hạt cát mịn 0,1-0,05 mm chiếm 25,4 %, các cấp hạt khác gần như không đáng kể (Bảng 2). Hệ số độ hạt của cát Md = 0,17 mm, S0 = 1,72, Sk = 1,05. Hệ tầng Nam Ô: Cát hệ tầng Nam Ô là cát trắng xám, phần lớn hạt trung, kết cấu rời đến chặt vừa và chặt (Bảng 2). Cỡ hạt chủ yếu trong các mẫu cát có kích thước từ 0,1 mm đến 0,5 mm, ngoại trừ một số mẫu có ít vỏ sò hến kích thước 0,5-1,0 mm, cá biệt 1,0-2,0 mm. Ở trên mặt, hàm lượng hạt 0,1-0,5 mm chiếm 78,2-78,7 %, khi xuống sâu cấp hạt này giảm (52,3-67,3 %) và thay thế bằng cát mịn hơn nhưng không đáng kể. Ngoài ra, theo tài liệu tham khảo kết quả phân tích tính chất cơ lý cát ở một số lỗ khoan địa chất công trình trong khu vực, cát hệ tầng Nam Ô có modul độ lớn Ms = 1,08-1,37 (cát bụi xốp) đến Ms = 1,81-1,84 (cát vừa chặt vừa). Như vậy, nhìn chung với thành phần hạt và tính chất cơ lý như mô tả, cát hệ tầng Phú Xuân và hệ tầng Nam Ô rất có tiềm năng trong sản xuất bê-tông cấp từ B15 đến B25 và trong chế tạo vữa mác M5 (theo TCVN 7570:2006 [3]). Tuy nhiên, cát Nam Ô có tính đồng nhất khá cao, khả năng đầm chặt bị hạn chế nên khó sử dụng làm nền, môi trường công trình. Giá trị SPT và sức chịu tải tiêu chuẩn đất cát tăng dần từ cát bụi (SPT: 9-11, Rtc: 10-12 T/m2) đến cát vừa, chặt vừa (SPT: 13-17, Rtc: 15-20 T/m 2) đảm bảo cho việc sử dụng trầm tích hệ tầng Nam Ô làm nền và môi trường công trình, nhất là công trình tải trọng thấp. 5. KẾT LUẬN (1) Cát Phú Xuân và Nam Ô phân bố khá rộng trên diện tích đồng bằng Quảng Trị, lần lượt chiếm 45 km2 và 140 km2; (2) Cát Phú Xuân là cát vàng nghệ, chủ yếu là cát hạt trung kết cấu chặt vừa, cát Nam Ô chủ yếu là cát xám trắng, hạt trung đến mịn, kết cấu xốp đến chặt; thành phần khoáng vật chủ yếu của cả hai loại cát chủ yếu gồm thạch anh, khoáng vật nặng không đáng kể; (3) Thành phần hạt và tính chất cơ lý của cát khu vực này có thể xem xét để chế tạo vữa và bê-tông mác thấp, tuy nhiên cần có các đánh giá đầy đủ và chi tiết hơn, cũng như cần có các nghiên cứu khả năng làm vật liệu xây dựng ở các tỉ lệ phối trộn với cát sông và khoanh vùng loại trừ các khu vực cát trắng có khả năng khai thác sử dụng cho sản xuất thủy tinh. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 80 Bảng 2. Tính chất cơ lý cát hệ tầng Phú Xuân và Nam Ô, Quảng Trị Thành phần hạt (%) theo các nhóm đường kính hạt (mm) SHM Hệ tầng Vị trí 2,0- 0,5 0,5- 0,25 0,25- 0,1 0,10- 0,05 Mô tả DC8 Phú Xuân Tây Nam Hải Lăng 15,1 42,7 16,8 25,4 Cát hạt trung màu vàng nâu kết cấu chặt vừa DC3 Nam Ô Tây Nam Hải Lăng 4,0 33,1 19,2 43,7 Cát hạt mịn màu trắng (độ sâu 0.6 m) kết cấu chặt vừa DC48 Nam Ô Ven biển Triệu Phong 12,3 46,7 20,7 20,4 Cát hạt trung màu xám trắng (độ sâu 0.5 m) kết cấu chặt vừa DC122 Nam Ô Ven biển Triệu Phong 0,9 65,4 12,8 20,9 Cát hạt trung màu trắng kết cấu chặt DC135 Nam Ô Ven biển Hải Lăng 0,1 60,9 17,8 21,2 Cát hạt trung màu trắng kết cấu rời Tính chất vật lý SHM Độ ẩm tự nhiên W (%) Dung trọng tự nhiên (T/m3) Dung trọng khô (T/m3) Tỷ trọng Hệ số rỗng Góc nghỉ ướt Góc nghỉ khô Hệ số rỗng lớn nhất Hệ số rỗng nhỏ nhất Độ chặt D DC8 3,8 1,514 1,459 2,66 0,823 28053’ 31015’ 0,979 0,687 0,50 DC3 2,9 1,510 1,467 2,67 0,820 24013’ 30030’ 0,928 0,676 0,40 DC 48 5,2 1,540 1,464 2,66 0,817 27010’ 29004’ 0,918 0,666 0,40 DC122 5,4 1,631 1,547 2,66 0,719 26018’ 30037’ 0,932 0,662 0,79 DC135 3,3 1,501 1,453 2,66 0,831 23043’ 28012’ 0,904 0,664 0,31 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Al-Harthy A.S., Halim M.A., Taha R., Al-Jabri K.S., (2007). The properties of concrete made with fine dune sand. Construction and Building Materials, 21(8), 1803-1808. [2]. Benabed B., Azzouz L., Kadri E., Kenai, Belaidi A.S.E., (2014). Effect of fine aggregate replacement with desert dune sand on fresh properties and strength of self-compacting mortars. Journal of Adhesion Science and Technology, 28(21), 2182-2195. [3]. Bộ Khoa học và Công nghệ, 2006.Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7570: 2006 Cốt liệu cho bê tông và vữa - yêu cầu kỹ thuật. Hà Nội. [4]. Vũ Mạnh Điển, Vũ Quang Lân, (1997). Báo cáo địa chất - khoáng sản đô thị Đông Hà tỷ lệ 1: 25.000. Lưu trữ Cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam. Hà Nội. [5]. Trần Tuấn Hiệp, Võ Xuân Lý, Lê Văn Bách, (2000). Nghiên cứu sử dụng vật liệu địa phương vùng đồng bằng Nam Bộ làm bê tông xi-măng trong xây dựng đường ôtô. Báo cáo kết quả đề tài KHCN cấp Bộ, Trường ĐH Giao thông vận tải. [6]. Jayawardena U.S. and Indratilaka H. M. L., (2014). Use of Dune Sand as an Alternative for River Sand for Construction Industry in Sri Lanka. Engineering Geology for Society and Territory, 5, 1277-1280. [7]. Ngọ Văn Toản, (2012). Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng cốt liệu cấp phối gián đoạn với cát mịn. Tạp chí khoa học Công nghệ xây dựng, 3(41).