Nghiên cứu đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp bê tông nhựa nóng chế tạo từ vật liệu đá bazan ở tỉnh gia lai,luận văn thạc sỹ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

• Chơng III: Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp bê tông nhựa đợcthiết kế từ cốt liệu đá Bazan.. Đây là loại đá Bazan.• Kết quả thí ngiệm mẫu đá gốc cho kết quả về một

đề tài:

Nghiên cứu đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật

của hỗn hợp bê tông nhựa nóng chế tạo từ

vật liệu đá Bazan ở tỉnh Gia Lai

• Trong những năm qua, mặt đờng bê tông nhựa đợc xây dựng ở tỉnh Gia Lai chiếm tỉ

lệ thấp Hiện nay, tốc độ đầu t xây dựng trong lĩnh vực giao thông phát triển nhanh,việc xây dựng mặt đờng bê tông nhựa ngày càng nhiều

• Thực tế xây dựng ở địa phơng, đá Bazan đợc sử dụng vào việc xây dựng mặt đờng

bê tông nhựa, và cho đến nay lại cha đợc tổng kết, đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật –kinh tế phục vụ cho việc thiết kế, kiểm soát chất lợng công trình

• Do vậy, đề tài nghiên cứu này là một yêu cầu bức thiết, xuất phát từ thực tiễn nhằmgiải quyết những nội dung về kỹ thuật; chất lợng và an toàn trong khai thác sử dụngcông trình

Nội dung đề tài bao gồm 4 chơng:

• Chơng I: Đánh giá tổng quan điều kiện địa chất, thuỷ văn ở tỉnh Gia Lai trong lĩnhvực đầu t xây dựng kết cấu áo đờng mềm

• Chơng II : Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu trong thiết kế bê tông nhựa nóng

• Chơng III: Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp bê tông nhựa đợcthiết kế từ cốt liệu đá Bazan

• Chơng IV: ứng dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán kết cấu áo đờng mềm trên địabàn tỉnh Gia Lai

Mở đầu

Chơng I

Đánh giá tổng quan điều kiện địa chất, thuỷ văn tỉnh Gia Lai

trong lĩnh vực đầu t xây dựng kết cấu áo đờng mềm

• Chơng I trình bày điều kiện đất nền đờng, điều kiện thuỷ văn và điều kiện vật liệu

làm móng, mặt đờng Mục đích là để ngời đọc nắm rõ nền đờng thông qua điềukiện địa chất, cờng độ nền đờng; nắm rõ về vật liệu chế tạo hỗn hợp bê tông nhựanóng từ đó có cái nhìn tổng quan về các vấn đề liên quan đến lĩnh vực đầu t xâydựng kết cấu áo đờng mềm ở tỉnh Gia Lai

• Nội dung chi tiết đợc trình bày ở luận văn ở đây, xin đi sâu vào vật liệu đá - đặc

tr-ng cho điều kiện vật liệu địa phơtr-ng để chế tạo bê tôtr-ng nhựa nótr-ng

Nhìn vào bản đồ địa chất của tỉnh Gia Lai, khu vực màu xanh thể hiện phân bố đá Bazan, khu vực màu nâu là đá Granit Trên bản đồ thể hiện các mỏ đá, điểm quặng đá

Trên địa bàn tỉnh chủ yếu gồm 3 loại đá :

1 Đá Granit : Khai thác với các mỏ nhỏ dùng làm đá xây dựng, đá ốp lát

– Thành phần khoáng vật gồm: Fenpat kali, thạch anh, octocla, khoáng vật loạisilixit (chủ yếu khoáng vật màu sáng nh biotit, hocblen)

– Tỷ trọng một số khoáng vật chính: Thạch anh tỷ trọng 2,65 - 2,66 g/cm3;octocla 2,5 - 2,62 g/cm3; biotit 2,69 - 3,4 g/cm3

2 Đá Bazan: Sử dụng phổ biến làm vật liệu xây dựng đờng.

– Thành phần khoáng vật chủ yếu gồm: Plagiocla bazơ (28-50%), olivin kiềm 28%), á kiềm, khoáng vật loại mafic (chủ yếu là khoáng vật màu tối nhamfibon)

(5-– Tỷ trọng một số khoáng vật chính: Plagiocla tỷ trọng 2,6 - 2,78 g/cm3; olivin3,18 - 3,45 g/cm3; amfibon 2,99 - 3,47 g/cm3

– Thành phần hoá học chủ yếu là ôxit của một số kim loại với hàm lợng nh sau:

Trung bình

• Đá vôi : Đang đợc Nhà máy xi măng Gia Lai khai thác vào mục đích xây dựng.

– Thành phần khoáng vật chủ yếu gồm: Thạch cao, muối mỏ, glauconit và opan.– Thành phần hoá học chủ yếu:

Các mỏ đá hiện đang khai thác thể hiện ở bảng

Chỉ tiêu Hàm lợng (%)

Trung bình

• Trong các mỏ đá trên, chọn đá ở mỏ đá Xuân Thuỷ, xã Ia Der, huyện Ia Grai cáchtrung tâm thành phố Pleiku 7km để chế tạo hỗn hợp bê tông nhựa nóng, đánh giácác chỉ tiêu phục vụ đề tài nghiên cứu Đây là loại đá Bazan.

• Kết quả thí ngiệm mẫu đá gốc cho kết quả về một số chỉ tiêu cơ lý:

• Cờng độ và độ hao mòn LA thoả mãn qui định của qui trình để chế tạo hỗn hợp bêtông nhựa nóng làm lớp dới và lớp trên của mặt đờng

K.lợng

riêng

(g/cm 3)

K.lợng thể tích (g/cm 3)

Độ rỗng (%)

Cờng độ đá

gốc (daN/cm 2 )

Hệ số hoá

mềm

Lợng tổn thất nén dập xi lanh

Chơng II Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu trong thiết kế bê tông nhựa nóng

Chơng II trình bày lý thuyết về hỗn hợp bê tông nhựa để đề ra các chỉ tiêu kỹthuật yêu cầu của hỗn hợp bê tông nhựa mà khi thiết kế, xây dựng phải đạt đợc.Thông qua các chỉ tiêu này, cho phép đánh giá chất lợng của bê tông nhựa

Các chỉ tiêu đó là:

1 Các chỉ tiêu chung:

• Thành phần cấp phối các cỡ hạt của hỗn hợp bê tông nhựa nóng

• Độ ổn định (Stability) ở 600C

• Chỉ số dẻo quy ớc (flow)

• Thơng số Marshall (Marshall Quotient)

• Độ ổn định còn lại sau khi ngâm mẫu ở 600C, 24h so với độ ổn định ban đầu

• Độ rỗng bê tông nhựa ( Air Voids)

• Độ rỗng cốt liệu (Voids in mineral aggregate)

• Cờng độ chịu nén ở nhiệt độ 200C.

• Cờng độ chịu nén ở nhiệt độ 500C

• Độ ngậm nớc

• Độ nở thể tích

Các chỉ tiêu này phải đạt đợc yêu cầu tối thiểu của qui trình

2 Các chỉ tiêu phục vụ bài toán thiết kế áo đờng mềm:

• Mô đun đàn hồi

• Độ bền chịu kéo khi uốn

Các chỉ tiêu này chịu ảnh hởng của nhiệt độ, do đó phải khảo sát tìm mối quan hệ giữachúng với nhiệt độ

Nội dung luận văn phải thí nghiệm tất cả các chỉ tiêu trên đối với đá Bazan, So sánh,

đánh giá các chỉ tiêu đó có đáp ứng yêu cầu của qui trình và đa ra chỉ tiêu dùng trongtính toán kết cấu áo đờng mềm trên địa bàn tỉnh Gia Lai

Để phục vụ nội dung này, việc đầu tiên là phải thí nghiệm xác định chất lợng vật liệu sửdụng, thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa và thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹthuật đợc thiết kế từ cốt liệu đá Bazan.

1 Các vật liệu dùng để chế tạo bê tông nhựa nóng phải đợc thí nghiệm là:

• Đá: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý đá ở mỏ đá Xuân Thuỷ nh sau (chơng I):

• Cát: Kết quả thí nghiệm cát ở Sông Đak Bla với chỉ tiêu yêu cầu của nh sau:

K.lợng

riêng

(g/cm 3 )

K.lợng thể tích (g/cm 3 )

Độ rỗng (%)

Cờng độ đá

gốc (daN/cm 2 )

Hệ số hoá

mềm

Lợng tổn thất nén dập xi lanh

• Bột khoáng: Kết quả thí nghiệm bột khoáng đợc cung cấp ở Nhà máy xi măng GiaLai với các chỉ tiêu kỹ thuật nh sau:

• Nhựa đờng: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu yêu cầu nh sau:

Đối chiếu với qui trình, các loại vật liệu đa vào sử dụng đáp ứng yêu cầu chế tạo hỗnhợp bê tông nhựa loại I

Khối lợng riêng (g/cm 3 )

Khối lợng thể tích (g/cm 3 )

Độ rỗng (%)

Độ ẩm (%)

• Do điều kiện về thời gian và kinh phí, chọn loại BTNC 20 để thiết kế và thí nghiệm.Trong thực tế còn rất nhiều loại bê tông nhựa, nhng theo qui trình, BTNC 20 là loạilàm đợc cho lớp trên và lớp dới Mặt khác, đây là loại đặc trng cho thiết kế và xâydựng ở địa phơng Khi có nhu cầu về xây dựng phân kỳ có thể sử dụng lớp này làmlớp dới của mặt đờng.

2 Thiết kế thành phần cốt liệu:

• Từ các vật liệu đã thí nghiệm trên, phân tích thành phần hạt của cốt liệu đá, cát, bộtkhoáng

• Tổng hợp thành phần cốt liệu

• Thành phần cốt liệu đợc thể hiện trên Đờng cong thiết kế cấp phối BTNC 20

Đờng cong liên tục, đáp ứng miền qui định

1 10

thiÕt kÕ thµnh phÇn cèt liÖu cho btnc-20

Miền cấp phối hạt trung, (BTNC20) theo 22TCN 249-98 Đường cong thiết kế cấp phối

§êng cong thiÕt kÕ cÊp phèi BTNC-20

3 Kết quả tính toán hàm lợng nhựa tối u theo phơng pháp Marshall là 5,4% tính theo cốtliệu (5,1% tính theo hỗn hợp bê tông nhựa).

Sau khi thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa tiến hành đúc mẫu theo hàm lợngnhựa tối u để thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật

4 Đúc mẫu :

• Số lợng mẫu đúc để thí nghiệm cho 01 chỉ tiêu: Tối thiểu là 12 mẫu

• Công tác đúc mẫu đối với mỗi hạng mục thí nghiệm cần đảm bảo các yêu cầu sau đây:

– Nhiệt độ chế tạo mẫu trong tổ hợp mẫu bằng nhau

– Kích thớc mẫu trong tổ hợp mẫu gần nh bằng nhau D = H đối với thí nghiệm Eđh,

Rku và theo kích thớc qui định đối với thí nghiệm Marshall

– Mỗi mẫu đợc chuẩn bị khối lợng riêng rẻ và bằng nhau theo loại thí nghiệm

Kết quả đúc mẫu: kích thớc mẫu rất đều nhau theo đúng yêu cầu trên.

Mẫu sau khi đúc đợc bảo dỡng theo đúng qui định

5 Thí nghiệm:

• Tiến hành thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý mẫu thiết kế Kết quả đạt đợc so sánh với qui trình nh sau :

• Kết quả là tổng hợp một số lợng lớn mẫu thí nghiệm cho thấy: Hỗn hợp bê tông nhựa

Stt Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Thí nghiệm Qui trình

2 Độ ổn định còn lại sau khi ngâm mẫu ở

600C, 24h so với độ ổn định ban đầu

8 Cờng độ chịu nén ở nhiệt độ 200C daN/cm2 42,5 ≥ 35

9 Cờng độ chịu nén ở nhiệt độ 500C daN/cm2 18,5 ≥ 14

• Để thí nghiệm các chỉ tiêu phục cho bài toán thiết kế theo 22 TCN 211-93 cần khảosát ở nhiệt độ 10, 30 và 500C Kết quả thí nghiệm khảo sát mô đun đàn hồi, độ bềnchịu kéo uốn của bê tông nhựa thông qua thí nghiệm éo chẻ đợc trình bày ở bảng.

6 Xác lập quan hệ biểu thị sự biến đổi:

• Dựa vào kết quả thí nghiệm,

xác lập đợc quan hệ biểu thị

sự biến đổi của mô đun

đàn hồi Eđh phụ thuộc vào nhiệt độ

• Tơng tự, xác lập quan hệ biểu thị sự biến đổi của độ bền kéo uốn Rku phụ thuộc vàonhiệt độ.

• Để tiện cho việc sử dụng, số liệu đợc lập thành bảng

• Kết quả khảo sát cho phép chúng ta biết đợc Eđh, Rku tại bất kỳ nhiệt độ nào trongkhoảng nhiệt độ từ 10 – 500C

Sự biến đổi Độ bền kéo uốn theo nhiệt độ

25

9.65

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00

• Và đa ra chỉ tiêu dùng trong tính toán kết cấu áo đờng mềm với điều kiện kiểm toántheo qui trình nh sau:

• Kết quả này phục vụ cho tính toán ứng dụng ở chơng IV

Loại vật

liệu

Mô đun vật liệu (daN/cm 2)

Độ bền kéo uốn R ku (daN/cm 2)

Tính võng Tính kéo uốn Tính trợt

Gia Lai

Qui trình

Gia Lai

Qui trình

Gia Lai

Qui trình

Gia Lai

Qui trình BTNC20 4000 3600 8300 10000 2500 3000 15 15

chơng IV ứng dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán

kết cấu áo đờng mềm trên địa bàn tỉnh Gia Lai

Căn cứ vào một công trình cụ thể đã đợc thi công là Quốc lộ 14 qua thành phốPleiku với Eyc = 1270 daN/cm2

1 Theo thiết kế đợc duyệt:

• Kết cấu áo đờng gồm:

– Bê tông nhựa nóng loại chặt, hạt trung dày 7cm

– Cấp phối đá dăm loại I dày 14cm

– Cấp phối đá dăm loại II dày 14cm

Caỏu taùo aựo ủửụứng

h1 14

ẹaỏt neàn

h3 7 h2 14

Caỏp phoỏi ủaự daờm loaùi II Caỏp phoỏi ủaự daờm loaùi I Beõ toõng nhửùa chaởt haùt vửứa

• Các đặc trng của vật liệu làm mặt đờng và nền đờng sử dụng ở bảng sau :

2 ứng dụng kết quả nghiên cứu để tính toán với các đặc trng của vật liệu làm mặt đờng

và nền đờng rút ra từ thí nghiệm ở bảng sau :

Vật liệu

(cm)

Tính độ võng Ev

Tính trợt

Et

Tính kéo uốn Eku (daN/cm 2 ) (daN/cm 2 ) (độ)

• Kết quả này cho phép nhận xét:

– Kết cấu đã thiết kế đảm bảo về mặt cờng độ

– Từ trớc đến nay, việc tính toán kết cấu áo đờng mềm trên địa bàn tỉnh Gia Lai sửdụng số liệu cho ở qui trình 22TCN 211 – 93 là tơng đối phù hợp

Stt Tiêu chuẩn kiểm tra

Điều kiện tính (daN/cm 2 ) 22TCN 211-93 Khu vực tỉnh Gia Lai

1 Cờng độ mặt đờng qua trị số mô đun đàn

hồi chung, daN/cm2

1347 > 1270 1381 > 1270

2 Điều kiện chống trợt của nền đất , daN/cm2 0,215 < 0,218 0,209 < 0,218

3 Điều kiện chịu kéo uốn ở đáy lớp bê tông

3 Đề xuất xem xét phơng pháp tính kết cấu áo đờng mềm sát với chế độ thuỷ nhiệt nền - mặt đờng của địa phơng:

• Thiết kế càng sát với điều kiện địa phơng thì hiệu quả đầu t càng cao

• Vậy nhiệt độ tính toán theo qui định của qui trình có phù hợp với điều kiện địa

ph-ơng? Nếu không thì nhiệt độ tính toán bê tông nhựa đối với tỉnh Gia Lai là baonhiêu?

• Để giải quyết vấn đề này, cần xem xét:

– Một là, nhiệt độ trung bình của không khí trong năm ở Gia Lai là bao nhiêu?– Hai là, mối quan hệ giữa nhiệt độ trung bình của không khí và nhiệt độ của bêtông nhựa nh thế nào, từ đó xác định nhiệt độ tính toán của bê tông nhựa?

• Về nhiệt độ trung bình của không khí trong năm ở Gia Lai:

– Số liệu về chế độ ma, nắng ở Pleiku 3 năm gần đây nh sau:

Tháng

Tổng lợng Nhiệt độ trung Nhiệt độ cao

nhất tháng ( 0C)

Nhiệt độ thấp nhất tháng ( 0C)

– Số liệu trên cho thấy:

• Nhiệt độ trung bình không khí trong năm chỉ biến đổi từ 21,8 đến 22,40C

• Vào mùa ma, nhiệt độ trung bình không khí biến đổi từ 22,7 đến 23,10C

• Việt Nam không có nhiệt độ 00C, không có điều kiện tuyết tan vào mùa xuânnên nền đờng không yếu đi ở nhiệt độ 100C Gia Lai chỉ có hai mùa: ma vàkhô Nhiệt độ trung bình vào mùa ma gần bằng nhiệt độ trung bình năm

• Về mối quan hệ giữa nhiệt độ trung bình của không khí và nhiệt độ của bê tông nhựa:

– Tham khảo các kết quả nghiên cứu trớc đây, qua tìm hiểu luận văn Thạc sỹ củatác giả Nguyễn Kim Sơn năm 2001, xác định nhiệt độ tính toán của bê tông nhựa

ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh, đã đề xuất hàm quan hệ y = 0,83x + 6,07.Trong đó:

• y - Nhiệt độ trung bình của bê tông nhựa

• x - Nhiệt độ trung bình của không khí

– Sử dụng hàm quan hệ này vào địa phơng, kết quả cho:

• Nhiệt độ trung bình năm của bê tông nhựa là 24 - 250C

• Khi nền đờng bị yếu đi vào mùa ma, nhiệt độ trung bình tính toán của bê

• Từ đó, đề xuất xem xét phơng pháp tính kết cấu áo đờng mềm sát với chế độ thuỷnhiệt nền - mặt đờng của địa phơng nh sau:

• Kiểm toán độ võng đàn hồi cho phép ở 250C với mô đun đàn hồi: Eđh = 5200daN/cm2

• Tại nhiệt độ này cũng đồng thời kiểm toán ứng suất chịu kéo uốn sinh ra ởmặt đáy lớp bê tông nhựa (khi nền đờng bị suy yếu trong mùa ma) với độbền chịu kéo uốn: Rku = 9,65 daN/cm2

• Không kiểm toán trợt của bê tông nhựa (Thực tế cho thấy, với lớp bê tôngnhựa dày tối thiểu là 5cm thì không cần kiểm toán trợt)

– Các đặc trng của vật liệu làm mặt đờng và nền đờng dùng để tính toán đối với

điều kiện này nh sau:

– Kết quả kiểm toán đợc tóm tắt ở bảng.

Bảng lập với 3 điều kiện tính để tiện so sánh

Nh vậy, nếu kiểm toán theo điều kiện nhiệt độ 250C cũng cho phép chúng takiểm soát đợc kết cấu áo đờng đã thiết kế Mô đun đàn hồi chung đạt giá trị

1428 daN/cm2, về mặt này, kết cấu có lợi thế so với yêu cầu là 1270 daN/cm2,

so với thiết kế đợc duyệt là 1347 daN/cm2 Các giá trị khác đảm bảo yêu cầu

S

tt Điều kiện tính (daN/cm 2 )

Tiêu chuẩn kiểm tra (daN/cm2)

Độ võng

đàn hồi,

E ch

Chống trợt của nền đất,

t

Chịu kéo uốn

ở đáy lớp BTN, s ku

Chống trợt lớp BTN, t

• Số liệu mô đun đàn hồi chung thực tế của công trình QL14 do đơn vị t vấn kiểm

định độc lập đo đạc thực tế nh sau:

Kết quả trên cho thấy: Ech thực tế đạt giá trị từ 1400 (daN/cm2) trở lên chiếm tỉ lệ76% số điểm đo và lớn hơn nhiều so với giá trị thiết kế

• Câu hỏi đặt ra là: Cách tính toán toán nào phù hợp với thực tế địa phơng?

• Phạm vi luận văn này, cha thể giải đáp trọn vẹn vấn đề này, chỉ đa ra xem xét phơngpháp luận để tính toán, cần có nghiên cứu sâu hơn để chính xác hoá nhiệt độ làmviệc và các giá trị đặc trng của bê tông nhựa dùng trong tính toán kết cấu áo đờng

Stt E yc (daN/cm 2 ) E ch ttế (daN/cm 2 ) Số điểm đo Tỉ lệ (%)

Kết luận và kiến nghị

I Kết luận:

Từ các kết quả nghiên cứu rút ra các kết luận nh sau:

• Cần khảo sát, đo đạc kỹ điều kiện địa chất, thuỷ văn để có biện pháp thiết kế nền,mặt đờng tối u về kỹ thuật và tính kinh tế, phù hợp với điều kiện địa phơng

• Tính toán thiết kế phải đảm bảo cờng độ, ổn định về biến dạng, ổn định dới tácdụng của tải trọng xe trong các điều kiện thời thiết khác nhau

• Tính toán kết cấu mặt đờng bê tông nhựa chế tạo từ đá Bazan của tỉnh Gia Lai nhng

sử dụng các đặc trng của vật liệu cho ở qui trình 22TCN 211-93 là tơng đối phù hợp,

đảm bảo về mặt cờng độ

Tuy nhiên, mức độ dự trữ cờng độ vào mùa ma cha cao, gần tới hạn Điều này sẽdẫn đến giảm tuổi thọ kết cấu áo đờng và dễ bị phá hoại khi lu lợng tăng nhanh hơn

so với thiết kế

Do vậy, việc xác định các đặc trng tính toán của các lớp vật liệu làm áo đờng cũng

nh của nền đất phải phản ánh đúng thực tế để tính toán thiết kế, kiểm soát đợc chấtlợng công trình trên địa bàn tỉnh Gia Lai