TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------TRƯƠNG QUANG VIỆT NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THÉP SẢN XUẤT BÊ TÔNG ĐẦM LĂN TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ TẠI TỈNH BÀ RỊA VŨNG TÀU CHUYÊN NGÀNH
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG ĐẦM LĂN, VẬT LIỆU XỈ THÉP DÙNG TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ
Kế hoạch phát triển hệ thống đường bộ đường giao thông giai đoạn 2015 –
2020 tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu.
Nâng cấp và cải tạo hệ thống đường giao thông theo tiêu chuẩn của Bộ Giao thông vận tải là cần thiết, đồng thời cần bố trí nguồn vốn để bảo trì hệ thống này Hành lang Thành phố Hồ Chí Minh – Bà Rịa – Vũng Tàu đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối với cảng biển quốc tế và trung tâm du lịch biển của vùng Đến năm 2020, vận tải hành khách bằng đường bộ chiếm từ 93.4% đến 95.4%, trong khi vận tải hàng hóa đạt 45.1%.
- Quốc lộ 51: từ Biên Hòa đến Vũng Tàu, dài 73.6 km, hoàn thiện mở rộng, nâng cấp toàn tuyến đạt tiêu chuẩn đường cấp I, quy mô 6 làn xe
- Quốc lộ 55: từ thị xã Bà Rịa đến Bảo Lộc (Lâm Đồng), đoạn trong vùng dài
53.3 km, hoàn thiện nâng cấp toàn tuyến đạt tiêu chuẩn đường cấp III, quy mô 2 làn xe
- Quốc lộ 56: từ Tân Phong (Đồng Nai) đến Bà Rịa, dài 51 km, duy trì tiêu chuẩn đường cấp III, quy mô 2 làn xe
- Đường liên cảng Cái Mép Thị Vải: từ cảng tổng hợp container Cái Mép Hạ
(Tân Thành, Bà Rịa – Vũng Tàu) đến cảng Phước An (Long Thành, Đồng Nai), dài
21.3 km, quy mô xây dựng 6 làn xe
- Đường Gò Găng – Long Sơn: Từ đảo Gò Găng sang đảo Long Sơn (Bà Rịa –
Vũng Tàu), dài 4.962 km, quy mô 4 làn xe và cầu Chà Và dài 1.152 m
Trong giai đoạn này, hệ thống đường bộ trong địa bàn tỉnh Bà Rịa – Vũng
Tàu cũng hoàn thiện, nâng cấp và xây dựng mới, một số tuyến đường như:
- Nâng cấp mở rộng Tỉnh lộ 52 tại Thành phố Bà Rịa với tổng mức đầu tư là
295 tỷ đồng, cầu Phước An tại Tân Thành (5667 tỷ đồng), đường Bà Rịa – Châu Pha nối Bà Rịa và Tân Thành (250 tỷ đồng), đường Ngãi Giao – Hòa Bình – Bình
Dự án xây dựng và nâng cấp các tuyến đường tại khu vực Bà Rịa - Vũng Tàu bao gồm: Châu nối Châu Đức và Xuyên Mộc với tổng vốn đầu tư 300 tỷ đồng, đường Cầu Cháy từ đường 30/4 đến 51C tại Vũng Tàu với 413 tỷ đồng, đường Hàng Điều tại Vũng Tàu với 391 tỷ đồng, đường Thống Nhất tại Vũng Tàu với 1.072 tỷ đồng, đường Biệt Chính tại Vũng Tàu với 350 tỷ đồng, và nâng cấp mở rộng Tỉnh lộ 52 tại thành phố Bà Rịa với 295 tỷ đồng.
Giới thiệu Bê tông đầm lăn
BTĐL là bê tông không có độ sụt, được đầm chặt bằng máy lu rung, tương tự như thi công đường cấp phối đá dăm Hiện nay, BTĐL chủ yếu được sử dụng trong xây dựng mặt đường giao thông nông thôn, móng đường cấp cao và đập chắn nước cho các công trình thủy lợi, thủy điện.
Nghiên cứu của các nhà vật liệu xây dựng cho thấy lượng nước (N) cần thiết cho quá trình thuỷ hoá xi măng (X) trong bê tông thấp hơn nhiều so với bê tông truyền thống Cường độ bê tông (R b) tỷ lệ thuận với tỷ lệ N/X, cho thấy việc giảm lượng nước trộn có thể giảm lượng xi măng mà vẫn giữ cường độ bê tông không đổi Tuy nhiên, do lượng nước giảm, bê tông trở nên khô hơn, yêu cầu sử dụng máy đầm rung thay vì đầm dùi như trong bê tông truyền thống.
Công nghệ đầm lèn bê tông bằng lu rung rất phù hợp cho các công trình bê tông khối lớn và hình dáng đơn giản như đập và mặt đường Phương pháp này cho phép sử dụng hỗn hợp bê tông khô với ít chất kết dính hơn, giúp thi công nhanh chóng và tiết kiệm chi phí so với công nghệ đổ bê tông truyền thống Công nghệ BTĐL thường được áp dụng hiệu quả trong thi công đập bê tông trọng lực, mặt đường và sân bãi.
1.2.3 So sánh ưu, nhược điểm với bê tông xi măng truyền thống
BTĐL có ưu điểm nổi bật là giảm đáng kể lượng xi măng trong 1m³ bê tông so với bê tông truyền thống, từ đó giảm nhiệt phát sinh trong khối bê tông, giúp hạn chế tình trạng nứt nẻ.
Đập BTĐL được thi công nhanh hơn so với đập bê tông thông thường nhờ vào việc sử dụng băng tải để vận chuyển bê tông, máy ủi để san gạt và máy lu rung để đầm lèn, đồng thời giảm thiểu thời gian chờ khối đổ hạ nhiệt Với khối tích nhỏ hơn so với đập đất đắp có cùng chiều cao, đập BTĐL cho phép thi công nhanh chóng hơn Đặc biệt, hiệu quả kinh tế của đập BTĐL càng cao hơn so với đập đất đắp khi công trình có chiều cao lớn hơn, trong điều kiện xây dựng và chuẩn bị tương đương.
- Có thể thi công liên tục nếu thiết kế khoảng đổ và tổ chức thi công hợp lý
Giá thành xây dựng đập BTĐL thấp hơn từ 25% đến 40% so với đập bê tông truyền thống, nhờ vào việc giảm chi phí cốp pha, vận chuyển, đổ và đầm bê tông Các tính toán từ các công trình trên thế giới đã chứng minh hiệu quả kinh tế của công nghệ này.
Bê tông khô với lượng xi măng thấp dễ bị phân ly vật liệu vữa bê tông đặc biệt trong quá trình vận chuyển, đổ, san, ủi và đầm nén, dẫn đến chất lượng bê tông không đồng đều và có thể làm giảm cường độ thiết kế.
- Phụ thuộc nhiều vào thời tiết, nền nhiệt độ nơi đổ bê tông
- Thời gian ninh kết đạt cường độ thiết kế khá lâu
- Phụ thuộc vào trạm trộn và nguồn cung cấp phụ gia tro bay.
Tình hình nghiên cứu và ứng dụng Bê tông đầm lăn trên thế giới và tại Việt Nam
BTĐL, ra đời vào khoảng năm 1961, được khởi đầu bằng việc xây dựng đê quây của đập Thạch Môn ở Đài Loan – Trung Quốc Từ những năm 1960 đến 1970, một số đập BTĐL đã được xây dựng, kết hợp giữa đập bê tông trọng lực đầm lăn và đập đất Đến năm 1964, đập Alpa Gera ở Ý đã đưa công nghệ BTĐL trở nên phổ biến tại nhiều quốc gia như Mỹ, Nhật Bản và Trung Quốc Trong giai đoạn 1960-1980, các nghiên cứu và ứng dụng BTĐL để xây dựng đập bê tông trọng lực đã diễn ra tại Canada, Mỹ, Anh và Nhật Bản Năm 1989, Trung Quốc trở thành quốc gia đầu tiên xây dựng thành công đập trọng lực Thiên Sinh Kiều, cao 61 m, hoàn toàn bằng bê tông đầm lăn.
2004, Trung Quốc có hơn 10 đập bê tông mới kiểu này
Hình 1.1: Đập Alpa Gera – Đập đầu tiên được xây dựng bằng BTĐL
Hình 1.2: Thi công đập BTĐL bằng xe lu rung (Beni-Haroun-Algeri)
Công nghệ BTĐL đã được áp dụng rộng rãi trong thi công xây dựng đập thủy điện và đê chắn nước, với hơn 50 năm phát triển và cải tiến liên tục về vật liệu và kỹ thuật Đến nay, đập BTĐL đã được xây dựng ở nhiều quốc gia, từ những nơi có nhiệt độ rất thấp đến rất cao, và cả những khu vực thường xuyên mưa lớn Theo thống kê tại hội nghị công nghệ về đập BTĐL do EVN tổ chức tại Hà Nội vào tháng 4/2007, tính đến năm 2006, đã có 352 đập BTĐL được thi công trên toàn thế giới, chưa kể Việt Nam.
Bảng 1.1: Các nước có số lượng đập BTĐL >10 đập
BTĐL không chỉ được áp dụng trong xây dựng đập, mặt đường và sân bãi mà còn cho nhiều kết cấu khác Cầu treo Akashi, khởi công năm 1986 tại Nhật Bản, là cầu treo lớn nhất thế giới với nhịp giữa hai tháp chính dài 1960 m, nối liền đảo Honshu và đảo Shikoku Công trình này đã ứng dụng nhiều công nghệ bê tông tiên tiến, bao gồm bê tông tự lèn, bê tông đổ trong nước và BTĐL Để thi công khối móng khoảng 200,000 m³ trong thời gian ngắn, công nghệ bê tông đầm lăn đã được lựa chọn Bê tông đầm lăn đã được sử dụng làm đường trong khoảng 80 năm, bắt đầu từ Thụy Điển vào những năm 1930, sau đó được áp dụng cho đường băng ở Washington (Mỹ) năm 1942 và xây dựng các đường và bãi đổ ở Canada vào những năm 1970.
Công nghệ BTĐL đã được áp dụng thành công trong xây dựng mặt đường ô tô tại Alabama, Mỹ, và nổi bật nhất là vào năm 2004 khi Georgia Department of Transportation sử dụng BTĐL cho phần lề gia cố của tuyến đường I-285 quanh Atlanta, thay thế phương pháp truyền thống, và nhận được huy chương bạc từ The National Partnership for Highway Quality năm 2006 Cùng năm đó, thành phố Columbus, Ohio cũng đã triển khai công nghệ này cho các tuyến đường nội thành Hiện nay, BTĐL được sử dụng rộng rãi cho các đường có tốc độ thấp, bãi đỗ xe, nút giao thông đô thị, cũng như trong các khu công nghiệp, kho bãi và bến cảng hàng nặng.
Hiện tại, chưa có công trình đường ô tô cấp cao nào áp dụng công nghệ xây dựng mặt đường bằng BTĐL Nguyên nhân có thể do phương pháp lu lèn khiến độ bằng phẳng của mặt đường không đạt yêu cầu cho xe chạy với tốc độ cao Các chuyên gia khuyến cáo rằng mặt đường BTĐL chỉ nên được sử dụng cho các tuyến đường có tốc độ thiết kế tối đa 60 km/h, vì độ phẳng của nó không thể so sánh với mặt đường bê tông nhựa hay BTXM thông thường.
Hình 1.3: Xây dựng lề gia cố trên đường I-285 ở thành phố Atlanta –Mỹ, 2004 1.3.2 Ở Việt Nam
Việt Nam bắt đầu nghiên cứu công nghệ bê tông đầm lăn (BTĐL) từ năm 1995 với mục tiêu thiết kế đập Tân Giang Đến năm 2004, Việt Nam khởi công xây dựng đập BTĐL đầu tiên, đập Pleikrông tại tỉnh Kon Tum, cao 71m, do Công ty Tư vấn Xây dựng Điện I thiết kế Tiếp theo là các dự án đập thủy điện Bản Vẽ tại Nghệ An cao 138m, đập A Vương tại Quảng Nam cao 70m, và đập Sê San 4 tại Gia Lai.
Tại Việt Nam, bê tông đầm lăn (BTĐL) chủ yếu được ứng dụng trong xây dựng đập trọng lực cho các thủy điện và các công trình bê tông khối lớn, như thủy điện Sơn La với 3 triệu m³ BTĐL Đập thủy điện Pleikrông sử dụng bê tông có mác M15, với tuổi 180 ngày, kích thước cốt liệu D max 40mm và lượng chất kết dính là 290 kg (bao gồm 80 kg xi măng và 210 kg Puzolan) Nhờ hàm lượng chất kết dính cao, cường độ bê tông thường vượt yêu cầu từ 30 – 40%.
Đập Định Bình tại tỉnh Bình Định đang được xây dựng theo thiết kế của công ty tư vấn xây dựng thủy lợi 1, sử dụng bê tông đầm lăn (BTĐL) có mác M20 với D max @mm và tuổi thiết kế 90 ngày Lượng chất kết dính sử dụng là 261 kg, bao gồm 126 kg xi măng và 141 kg tro bay Phần lõi đập sử dụng BTĐL mác M15, tuổi 90 ngày, với D max = 60 mm và lượng chất kết dính là 245 kg, trong đó có 105 kg xi măng và 40 kg tro bay.
Việt Nam đã chính thức ghi tên mình trên bản đồ công nghệ BTĐL toàn cầu Theo báo cáo của Dr M.R.H.Dunstan tại Hội nghị xây dựng đập BTĐL do Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) tổ chức vào tháng 4 năm 2007 tại Hà Nội, đập BTĐL của thủy điện Sơn La hiện đứng thứ 10 về chiều cao và thứ 3 về khối lượng bê tông trong số 10 đập bê tông lớn nhất thế giới.
2006 Việt Nam đứng thứ 2 thế giới, sau Trung Quốc, về số lượng đập cao hơn 60m đang thi công bằng BTĐL [6]
Hình 1.4: Đập thủy điện Định Bình tại tỉnh Bình Định
Việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông đúc lắp (BTĐL) trong xây dựng đường ô tô ở Việt Nam vẫn còn ở giai đoạn đầu Tổng công ty Fico đã áp dụng công nghệ này cho các tuyến đường giao thông nông thôn tại Tây Ninh và Tiền Giang, đạt được một số kết quả khả quan Trong nghiên cứu, Fico sử dụng Puzolan làm phụ gia khoáng cho BTĐL, nhưng chưa xác định rõ hàm lượng tối ưu của phụ gia này thay thế xi măng Đề tài cũng đã ứng dụng BTĐL vào xây dựng một số tuyến đường giao thông nông thôn ở Nam Bộ, với lớp vữa nhựa được phủ lên để tạo độ bằng phẳng cho mặt đường.
Hình 1.5: Sửa chữa nâng cấp đường lộ Giồng xã Tam Hiệp tỉnh Tiền Giang bằng BTĐL
Khả năng ứng dụng của BTĐL trong xây dựng kết cấu áo đường ô tô ở Việt Nam
BTĐL là bê tông nghèo xi măng, giúp tiết kiệm xi măng so với BTXM truyền thống, rút ngắn thời gian xây dựng và tăng tốc độ thi công Hiệu quả kinh tế càng cao khi khối lượng thi công lớn Trong bối cảnh kinh tế suy thoái hiện nay, việc thay thế một phần mặt đường BTXM bằng BTĐL là giải pháp kích cầu được Đảng và nhà nước khuyến khích.
BTĐL có tính dẻo kém và lượng nước sử dụng ít, dẫn đến độ khô cao hơn so với BTXM truyền thống Để cải thiện tính dẻo và khả năng đầm chặt, cần bổ sung chất phụ gia khoáng, không chỉ lấp đầy mà còn tham gia vào phản ứng tạo đá xi măng Việc sử dụng ít nước giúp giảm lượng xi măng cần thiết để đạt cường độ tương đương, nhưng chi phí đầm lèn lại cao hơn Hơn nữa, yêu cầu về cấp phối của BTĐL khắt khe hơn so với cấp phối đá dăm gia cố xi măng, khiến công nghệ chế tạo phức tạp và khó tạo độ bằng phẳng cho mặt đường Do đó, công nghệ BTĐL vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trong xây dựng đường ô tô tại Việt Nam.
Giới thiệu về xỉ thép
Xỉ thép là phế thải trong ngành luyện kim, hình thành trong quá trình sản xuất kim loại từ quặng sắt và tinh chế kim loại không nguyên chất Trong quặng sắt thường có tạp chất như sét và cát, vì vậy người ta thêm đá vôi vào lò nung để tạo ra các hợp chất silicat canxi, silicat alumin và silicat aluminate canxi magie Xỉ thép được nấu chảy ở nhiệt độ từ 1400 đến 1600 độ C, tại đây các hợp chất nóng chảy hoàn toàn và có khối lượng riêng nhỏ hơn gang, do đó nổi lên trên và được thu gom gọi là xỉ.
Hình 1.6: Quá trình hình thành xỉ thép
16 kg vảy oxit sắt 2.5 kg bùn lắng
17 kg vật liệu chịu lửa 0.8 kg dầu
Hình 1.7: Nguyên nhiên liệu sử dụng và các phát thải môi trườngcủa ngành sản xuất thép lò điện
- Độ cứng cao, độ ma sát và khả năng chống mài mòn cao
- Chỉ số bong tróc của xỉ thép thấp hơn nhiều so với đá
- Chịu được sự giãn nở cao và độ ẩm thấp
- Độ pH của xỉ dao động 10 – 11 cho khả năng kết dính cao với nhựa đường, do đó duy trì độ dính bám tốt
Bề mặt thô và nhám của vật liệu mang lại khả năng chống trơn trượt cao, điều này rất quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho đường giao thông và giảm thiểu tác động của rêu, sương và độ ẩm.
- Tuy nhiên, xỉ thép có khối lượng riêng nặng hơn 20% so với đá, khả năng hút nước cao hơn đá
1.5.2 Nghiên cứu thành phần hóa học của xỉ thép
Thành phần hóa học chính của xỉ thép ở khu vực phía Nam bao gồm FeO và Fe₂O₃ chiếm 37 – 37.8%, CaO 23.98%, SiO₂ 14.49%, và Al₂O₃ 8.25% So với các nghiên cứu khác, xỉ thép ở khu vực này có hàm lượng ô xít FeO và Fe₂O₃ cao nhất, tiếp theo là CaO Thành phần chính của đá dăm sử dụng làm cốt liệu sản xuất BTXM ở một số mỏ đá khu vực phía Nam cũng tương tự như xỉ thép, nhưng SiO₂ chiếm phần lớn trọng lượng đá dăm Đặc biệt, xỉ thép ở khu vực phía Nam không chứa CaO và MgO ở trạng thái tự do.
1.5.3 Nghiên cứu thành phần khoáng vật của xỉ thép
Thành phần khoáng vật của xỉ thép ở khu vực phía Nam chủ yếu bao gồm portlandite (Ca(OH)₂) và mayenite (Ca₁₂Al₁₄O₃₃) So với các nghiên cứu toàn cầu, thành phần khoáng vật của xỉ thép tại đây có sự khác biệt, với sự hiện diện của nhiều khoáng chất đa dạng (Bảng 1.2) [4].
Bảng 1.2 Bảng tổng hợp đánh giá thành phần khoáng vật của xỉ thép
TT Nghiên cứu Thành phần khoáng vật
Kết quả phân tích của Công ty Vật
Wustite (FeO), Dicalcium Silicate (2CaOãSiO 2 ), Mayenite (12CaO.7Al 2 O 3 ), Bredigite
Wuestite (FeO), Iron diiron (III) oxide (Fe 3 O 4 ) và Dicalcium aluminium alumosilicate (Ca 2 Al(AlSiO 7 )
Wuestite (FeO), Iron diiron (III) oxide (Fe 3 O 4 ) và Dicalcium aluminium alumosilicate (Ca 2 Al(AlSiO 7 ).
Tình hình nghiên cứu và ứng dụng xỉ thép trong xây dựng mặt đường giao thông trên thế giới và tại Việt Nam
Xỉ thép đã được sử dụng trong xây dựng đường giao thông và công trình công nghiệp từ hàng trăm năm qua Kể từ năm 1945, ngành luyện thép đã áp dụng công nghệ lò điện hồ quang, dẫn đến việc tăng sản lượng thép và khối lượng xỉ thép được tạo ra Xỉ thép sau đó được tái chế thành đá nhân tạo (Ecoslag) để phục vụ ngành xây dựng, đặc biệt là trong các công trình giao thông Hiện nay, đá Ecoslag được nhiều quốc gia tiên tiến như Mỹ, Úc, Canada, Nhật Bản, Thái Lan và Trung Quốc sử dụng rộng rãi cho các công trình bền vững như sân bay, cầu cảng, sân vận động, nhà cao tầng, đường cao tốc, đập chắn song và các hệ thống xử lý nước thải quy mô lớn.
Ngay cả những quốc gia kém phát triển ở Châu Phi cũng đã áp dụng việc tái chế xỉ thép làm vật liệu xây dựng Hơn nữa, xỉ thải còn được chế biến thành hạt để thay thế cho hạt Nix hoặc cát, phục vụ cho việc làm sạch bề mặt kim loại trong ngành công nghiệp đóng tàu.
Ứng dụng Xỉ thép ở thành phố Pittsburgh – Mỹ
Hình 1.8: Núi xỉ thép – Cửa ngõ vào thành phố Pittsburgh – Mỹ
Ngành luyện thép và công nghiệp ở miền Đông Bắc và Trung Tây nước Mỹ, đặc biệt là Pittsburgh, đã để lại hậu quả nặng nề về môi trường với hàng trăm núi xỉ thép Sau khi ngành luyện thép suy thoái, xỉ thép trở thành yếu tố quan trọng trong việc định hình cảnh quan hiện tại của Pittsburgh, góp phần vào nhiều con đường và công trình lớn của thành phố.
Ứng dụng xỉ thép trong bê tông nhựa ở Italia
Nghiên cứu thực nghiệm của các tác giả tại Itaty tập trung vào đặc điểm thành phần, tính chất và đặc trưng cơ học của hỗn hợp bê tông nhựa chứa xỉ EAFS (Electric Arc Furnace Steel slag) cho mặt đường mềm Kết quả thử nghiệm cho thấy tất cả các mẫu thiết kế bê tông nhựa xỉ đều đạt tiêu chuẩn, với các giá trị ổn định Marshall và độ bền kéo gián tiếp tốt.
Ứng dụng xỉ thép trong xây dựng tại CHLB Nga
Ngành luyện kim của CHLB Nga phát triển mạnh mẽ với khoảng 100 triệu tấn nguyên liệu, trong đó có 10 triệu tấn xỉ thép Trước đây, xỉ thép thường được chất thành đống hoặc chôn lấp, nhưng với sự phát triển kinh tế, nhu cầu về không gian chứa xỉ ngày càng hạn chế Năm 1949, Nga đã tổ chức hội thảo khoa học kỹ thuật để nghiên cứu tính chất của xỉ thép, nhằm tận dụng xỉ cho nông nghiệp và xây dựng Các nghiên cứu này được thực hiện với sự tham gia của các nhà luyện kim, nhà khoa học và người tiêu dùng xỉ, dưới sự giám sát của nhà nước.
Nghiên cứu này mở ra hướng xử lý hiệu quả sản phẩm thải từ ngành luyện thép tại Nga, mang lại lợi ích kinh tế, kỹ thuật và môi trường Xỉ được sử dụng gần như 100%, trong đó 60% dùng để sản xuất xi măng nhờ vào khả năng thủy hóa của xỉ mịn, giúp tăng thể tích bê tông Phần còn lại được ứng dụng trong ngành xây dựng, như sản xuất bê tông và xây dựng đường giao thông Vào mùa hè năm 2002, một đường cơ giới đã được xây dựng với 600 tấn xỉ Ủy ban Xây dựng quốc gia Nga đang nghiên cứu thành lập công ty khai thác xỉ thép để thay thế cát và xi măng trong sản phẩm bê tông.
Theo các nhà máy luyện thép, xỉ thải từ quá trình luyện phôi thép chiếm 11-15% khối lượng sản phẩm Với công suất 2.25 triệu tấn phôi thép/năm, Bà Rịa – Vũng Tàu sẽ phát sinh khoảng 678-925 tấn xỉ thải/ngày Khi tất cả các dự án luyện phôi thép hoạt động với công suất 3.75 triệu tấn, lượng xỉ thải sẽ tăng lên khoảng 1.130 – 1.541 tấn/ngày Điều này tạo ra một nguồn thải lớn ảnh hưởng đến môi trường, do các nhà máy thép không thể tự xử lý xỉ thải trong khu vực sản xuất vì thiếu mặt bằng chứa, năng lực xử lý chất thải hạn chế và khó khăn trong việc tìm đầu ra cho sản phẩm tái chế từ xỉ thép.
Ứng dụng xỉ thép vào xây dựng tại Việt Nam
- Đường tạm dẫn vào cảng POSCO
- Công trình nhà máy sản xuất nhôm định hình toàn cầu
- Nhà máy sản xuất thép đặc biệt POSCO SS – VINA
- Công trình nhà xưởng Ba Con Cò
- Công trình kho ngoại quan Thorensen Vinama
Hiện nay, việc sử dụng xỉ thép trong bê tông đầm lăn (BTĐL) ở Việt Nam vẫn còn ở giai đoạn khởi đầu Chỉ có một số nghiên cứu về BTĐL áp dụng các loại cốt liệu khác như cát nghiền.
Bằng cách kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, nghiên cứu đã xác định được cơ sở phối trộn tối ưu giữa cát nghiền và cát mịn tự nhiên Kết quả cho thấy hàm lượng cát
Hình 1.9: Đường tạm dẫn vào cảng
Hình 1.10: Công trình nhà máy sản xuất nhôm định hình toàn cầu
Hình 1.11: Công trình nhà xưởng Ba
Nhà máy sản xuất thép POSCO SS – VINA sử dụng hỗn hợp cát chiếm từ 60 ÷ 70% cho bê tông đặc biệt (BTĐL) với các tính chất kỹ thuật tốt nhất Hàm lượng tro bay ảnh hưởng đến tính chất của bê tông; khi tro bay tăng, tính chất rắn chắc trong những ngày đầu tăng chậm nhưng cải thiện theo thời gian, đặc biệt là ở tuổi 90 ngày Tuy nhiên, khi hàm lượng tro bay vượt quá 30%, tính chất bê tông giảm đáng kể Ở tuổi 28 ngày, BTĐL với hỗn hợp cát có 15 ÷ 30% tro bay thay thế xi măng đạt Ru = 5.52 ÷ 5.90 MPa và E = 36.23 ÷ 38.06 GPa, đáp ứng yêu cầu cho lớp móng và mặt đường ô tô.
Việc nghiên cứu sử dụng cốt liệu xỉ thép để sản xuất bê tông đường ô tô tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu là một hướng đi thiết thực, nhằm giải quyết tình trạng xỉ thép chủ yếu được đổ đống và chôn lấp Kết quả nghiên cứu này không chỉ tạo ra nguồn vật liệu dồi dào cho ngành xây dựng, giúp giảm giá thành và nâng cao chất lượng mặt đường ô tô, mà còn góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường.
Kết luận chương 1
- Trong chương này, tác giả giới thiệu cũng như phát triển mở rộng mạng lưới giao thông ở tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu
- Trình bày khái quát về BTĐL, qua đó nêu bật các ưu điểm của BTĐL so với BTXM thông thường
Trên thế giới, nghiên cứu và ứng dụng BTĐL (Bê tông đầm lăn) đã phát triển mạnh mẽ, tuy nhiên tại Việt Nam, công nghệ này chỉ mới được áp dụng trong xây dựng đập Việc ứng dụng BTĐL trong xây dựng đường ô tô vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu và chưa được triển khai rộng rãi.
- Tổng quan về xỉ thép, tình hình sản xuất và ứng dụng xỉ thép trong xây dựng đường ô tô.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT, VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN
Một số lý thuyết thành phần hạt của cốt liệu trong bê tông
2.1.1 Lý thuyết cấp phối lý tưởng của Fuller-Thompsom
Bằng nghiên cứu thực nghiệm, Fuller-Thompsom đã nghiên cứu và đưa ra phương trình đường cong cấp phối hạt lý tưởng có phương trình chung:
Trong đó : P là thành phần (%) hạt lọt qua sàng d, mm n=0.3, 0.4, 0.5
D là kích thước cỡ hạt lớn nhất Dmax, mm
2.1.2 Lý thuyết cấp phối hạt của Talbol
Theo sự nghiên cứu của Talbot, nếu cấp phối phù hợp với công thức sau thì đạt được độ chặt lớn nhất:
Trong đó: P- Lượng lọt qua lỗ sàng,% d - Kích thước lỗ sàng
D- Kích thước của hạt lớn nhất n- Hệ số, thông thường n = 0.3÷0.6 Nếu n = 0.5; D = 20 mm , thì:
2.1.3 Lý thuyết cấp phối cốt liệu lý tưởng
Cấp phối cốt liệu là mối quan hệ giữa kích cỡ sàng tiêu chuẩn Xi và tổng lượng lọt qua sàng Yi, được tính toán qua công thức hoặc biểu đồ Tối ưu hóa cấp phối cốt liệu nhằm sử dụng đường cong cấp phối lý tưởng để đạt được hỗn hợp cốt liệu có độ đặc tốt Đường cong Fuller được biểu thị bằng công thức toán học cụ thể.
YT i = 100.(X i /X max ) 0.5 Trong đó: YT i - lượng lọt sàng lý tưởng (lý thuyết)
X max - kích cỡ lớn nhất cốt liệu, mm (điểm kết thúc đường cong lý tưởng)
Để đạt được cấp phối lý tưởng cho hỗn hợp cốt liệu, việc lựa chọn tỷ lệ hợp lý là cần thiết, nhưng thực hiện điều này thường gặp khó khăn và không hiệu quả về mặt kinh tế Do đó, trong thực nghiệm, chúng ta chuẩn bị các loại cốt liệu mịn và thô với các tỷ lệ khác nhau để pha trộn, nhằm đạt được độ đặc hợp lý và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế.
Thành phần vật liệu yêu cầu chế tạo BTĐL
2.2.1 Xi măng Đối với các công trình bê tông trọng lực khối lớn hoặc làm mặt đường, nhiệt do các phản ứng tạo ra trong quá trình ninh kết của xi măng phải thấp hơn nhiệt thủy hóa thông thường Vì thế loại xi măng có thành phần khoáng C 3 S và C 3 A thấp (do các khoáng này có tốc độ thủy hóa nhanh làm tăng nhiệt thủy hóa bê tông) thì sẽ được ưu tiên lựa chọn Các loại xi măng Poóc lăng - Puzolan và xi măng Poóc lăng – xỉ lò cao phù hợp cho chế tạo BTĐL
Vào năm 2013, nhu cầu xi măng nội địa đạt khoảng 48,5 đến 49 triệu tấn, trong khi xuất khẩu khoảng 8 đến 9 triệu tấn Sản lượng sản xuất xi măng trong năm này ước tính khoảng 62 triệu tấn, dẫn đến dư thừa khoảng 5 triệu tấn Dự báo đến năm 2020, khi một số nhà máy xi măng mới hoàn thành và đi vào hoạt động, sản lượng xi măng sẽ tăng lên từ 68 đến 70 triệu tấn.
Xi măng poóc lăng thông thường được phân loại thành hai dạng chính là PCB và PC Ngoài ra, còn có một số loại xi măng đặc chủng như xi măng bền sun phát, xi măng dãn nở, xi măng ít toả nhiệt và xi măng tro bay.
Xi măng cho bê tông đầm lăn có thể là loại poóc lăng (PC) theo tiêu chuẩn TCVN 2682: 1999 hoặc xi măng poóc lăng hỗn hợp (PCB) theo tiêu chuẩn TCVN 6260: 2009.
Bảng 2.1: Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng poóc lăng hỗn hợp (PCB)
1 Cường độ nén, MPa, không nhỏ hơn
2 Thời gian đông kết, min
Bắt đầu, không nhỏ hơn 45
Kết thúc, không nhỏ hơn 420
3 Độ nghiền mịn, xác định theo
Phần còn lại trên sàng kích thước lỗ 0.09mm, không lớn hơn 10
Bề mặt riêng, phương pháp Biaine, cm2/g, không nhỏ hơn 2800
4 4 Độ ổn định thể tích, xác định theo phương pháp Le Chatelier, mm, không lớn hơn
5 5 Hàm lượng anhydric sunphuric (SO3),
6 Độ nở autoclave(1), %, không lớn hơn 0.8
Cốt liệu lớn (CLL) là thành phần chiếm khối lượng lớn nhất trong hỗn hợp bê tông đầm lăn (BTĐL) và cần đảm bảo chất lượng cũng như thành phần cấp phối hạt theo thiết kế Tùy thuộc vào từng công trình cụ thể, cần có sự điều chỉnh phù hợp giữa yêu cầu kỹ thuật và lợi ích kinh tế Xu hướng hiện nay là sử dụng cốt liệu có kích thước hạt lớn nhất để tối ưu hóa hiệu quả.
D max lớn sẽ giúp giảm giá thành sản phẩm, tuy nhiên, nếu D max quá lớn sẽ gây khó khăn trong quá trình trộn bê tông và dẫn đến hiện tượng phân tầng trong thi công bê tông đầm lăn.
CLL có hình dạng hạt hợp lý và thành phần hạt cần tuân thủ giới hạn đường bao cấp phối tiêu chuẩn, không chứa nhiều chất độc hại Kích thước hạt phải đủ để đảm bảo nguyên tắc hạt nhỏ có thể chèn vào khe rỗng của hạt lớn, từ đó tạo ra độ đặc tối ưu.
Thành phần hạt CLL dùng chế tạo BTĐL biểu thị bằng lượng sót tích lũy trên các sàng, đáp ứng các yêu cầu qui định trong tiêu chuẩn TCVN 7570:2006
Bảng 2.2: Thành phần hạt của đá theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006
Cốt liệu sử dụng cho đường cấp III trở lên phải đảm bảo sạch, với hàm lượng bùn, bụi, sét không vượt quá 1.0% theo khối lượng, trong khi đối với đường cấp IV trở xuống và sân bãi, mức này là 2.0% Hàm lượng các hạt mềm yếu cũng không được vượt quá 1.0% theo khối lượng Độ hao mòn khi va đập trong máy Los Angeles không được vượt quá 30% khối lượng cho đường cấp III trở lên và 35% cho đường cấp IV trở xuống và sân bãi.
Hàm lượng thoi dẹt, không vượt quá 25% khối lượng khi làm đường từ cấp III trở lên và 30% khi làm đường từ cấp IV trở xuống và sân bãi
Yêu cầu chất lượng cốt liệu nhỏ (CLN) cho bê tông đầm lăn (BTĐL) tương tự như vật liệu nhỏ cho bê tông thông thường Cát cần phải sạch, không chứa nhiều chất độc hại và tạp chất hữu cơ Cát thô có mô đun độ lớn từ 2.0 đến 3.3, trong khi cát mịn có mô đun độ lớn từ 0.7 đến 2.0 Hình dạng hạt của cốt liệu nhỏ ảnh hưởng lớn đến khả năng đầm chặt và tính chất của BTĐL; cát có góc cạnh, đặc biệt là cát dẹt hoặc cát cấp phối kém, sẽ tạo ra lỗ rỗng lớn.
Thành phần hạt của cát, biểu thị qua lượng sót tích lũy trên sàng, nằm trong phạm vi quy định trong bảng 2.3
Kích thước lỗ sàng, mm
Lượng sót tích lũy trên sàng, % khối lượng ứng với kích thước hạt cốt liệu nhỏ nhất và lớn nhất, mm 5-10 5-20 5-40 5-70 10-40 10-70 20-70
Bảng 2.3: Thành phần hạt của cát theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006
Lượng sót tích lũy trên sàng, % Khối lượng
Lượng qua sàng 140 àm, khụng lớn hơn
Hàm lượng các tạp chất (sét cục và các tạp chất dạng cục, bùn, bụi và sét) trong cát được quy định trong bảng 2.4
Tạp chất hữu cơ trong cát khi xác định theo phương pháp so màu, không được thẫm hơn màu chuẩn
Bảng 2.4: Hàm lượng các tạp chất trong cát theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006
Hàm lượng tạp chất, % khối lượng, không lớn hơn
Bê tông cấp cao hơn B30
Bê tông cấp thấp hơn và bằng B30
Sét cục và các tạp chất dạng cục Không được có 0.25 0.5
Hàm lượng bùn, bụi và sét 1.5 3.0 10
Phụ gia khoáng (PGK) là thành phần thiết yếu trong bê tông đúc lắp (BTĐL) cho hạ tầng giao thông, giúp cải thiện và điều chỉnh các tính chất của bê tông Các loại PGK như tro bay nhiệt điện, Puzolan, và tro trấu không chỉ lấp đầy lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông mà còn tham gia phản ứng với Ca(OH)₂ để tạo ra C-S-H, tăng cường độ đặc của đá xi măng Sự hiện diện của PGK giúp giảm lượng nhiệt thủy hóa trong BTĐL Mặc dù việc trộn thêm PGK hoạt tính có thể làm tăng cường độ trong giai đoạn đầu ở mức thấp, nhưng lại cải thiện cường độ dài hạn, đồng thời giảm tính chống thấm và tính biến dạng của bê tông PGK bao gồm các vật liệu tự nhiên hoặc nhân tạo ở dạng nghiền mịn.
PGK trong BTĐL theo tiêu chuẩn Mỹ thỏa mãn yêu cầu của ASTM C618 Tiêu chuẩn này được nhiều nước sử dụng khi lựa chọn phụ gia khoáng cho BTĐL
Bảng 2.5: Chỉ tiêu kỹ thuật của PGK cho BTĐL theo ASTM C618
STT Tên chỉ tiêu Đơn vị
1 Tổng hàm lượng các oxit
2 Hàm lượng SO3 " Max 4 Max 5 Max 5
3 Độ ẩm " Max 3 Max 3 Max 3
4 Hàm lượng MKN " Max 10 Max 6 Max 6
5 Độ mịn trờn sàng 45àm " Max 34 Max 34 Max 34
Chỉ số hoạt tính cường độ
7 Lượng nước yêu cầu " Max 105 Max 105 Max 105
8 Độ nở autoclave " Max 0.8 Max 0.8 Max 0.8
Phụ gia hóa học (PGHH) được áp dụng trong bê tông đúc lắp (BTĐL) dưới dạng phụ gia siêu dẻo, giúp giảm lượng nước và kéo dài thời gian đông kết Đối với BTĐL giàu hồ, lớp bê tông rải tiếp theo cần được thi công trước khi lớp bê tông trước đó hoàn tất quá trình đông kết Do đó, việc kéo dài thời gian đông kết là cần thiết Sử dụng PGHH không chỉ hạn chế lượng nước mà còn đảm bảo các tính chất công tác của bê tông.
Theo kinh nghiệm quốc tế, phụ gia hóa học (PGHH) trong bê tông đúc lắp (BTĐL) chủ yếu được sử dụng để điều chỉnh tính công tác và thời gian đông kết của hỗn hợp Liều lượng PGHH trong BTĐL thường cao hơn so với bê tông xi măng truyền thống Việc sử dụng phụ gia giảm nước giúp làm chậm quá trình đông kết, từ đó tăng cường tính linh động của hỗn hợp.
BTĐL giúp kéo dài thời gian đông kết ban đầu của bê tông, từ đó tạo điều kiện cho quá trình thi công diễn ra liên tục Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho việc xử lý bề mặt trước khi đổ các lớp bê tông tiếp theo.
Chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu cho BTĐL
2.3.1 Thí nghiệm xác định độ cứng Vebe
Sử dụng xẻng và bay lưỡi vuông để lấy mẫu thử bê tông đại diện với khối lượng tối thiểu 22.7 kg theo hướng dẫn ASTM C172 Đảm bảo rằng cốt liệu lớn không bị tách ra khỏi hỗn hợp bê tông trong quá trình lấy mẫu.
Làm ướt bề mặt bên trong thùng mẫu trước khi đổ hỗn hợp bê tông với khối lượng khoảng 13.4 ± 0.7kg Sử dụng bay lưỡi vuông và thanh chọc để đổ và rải đều hỗn hợp bê tông, nhằm giảm thiểu sự phân tách cốt liệu lớn Cuối cùng, gạt phẳng bề mặt hỗn hợp bê tông trong thùng.
Kẹp chặt thùng mẫu trên bàn rung Vebe bằng cách siết bu lông, sau đó trượt cần dẫn hướng của quả tải qua ống dẫn hướng và xoay tay dẫn hướng để tâm quả tải trùng với trục tâm thùng mẫu Đảm bảo quả gia tải và tấm nhựa khớp với lòng trong thùng mẫu khi tháo chốt Nếu gia tải cần hạ xuống dưới miệng thùng mẫu, điều chỉnh vị trí của gia tải và thùng mẫu nhưng không để gia tải chạm vào mẫu thử Cuối cùng, siết chặt đai ốc của bàn rung Vebe bằng mỏ lết để tránh dịch chuyển trong suốt quá trình thí nghiệm, rồi tháo chốt và hạ từ từ quả gia tải để tiếp xúc với mặt mẫu thử.
Nếu quả gia tải không thể đặt vào vị trí tâm thùng mẫu mà không chạm vào thành trong, có thể đặt trực tiếp lên mặt mẫu và giữ thanh dẫn hướng vuông góc với mặt mẫu mà không cần hệ thống dẫn hướng Thanh dẫn hướng gia tải phải được giữ vuông góc trong suốt quá trình thí nghiệm, và không được ấn vào quả gia tải trong khi thí nghiệm.
Bật đồng thời đầm rung và đồng hồ bấm giây, sau đó sử dụng đèn để quan sát hỗn hợp bê tông trong thùng ở khe hở giữa viền quả gia tải và thành trong thùng mẫu Trong quá trình thí nghiệm, vữa sẽ lấp đầy khe hở giữa mép ngoài và thành trong thùng mẫu Quan sát cho đến khi vữa được hình thành xung quanh toàn bộ chu vi của quả gia tải Khi vữa hình thành toàn bộ xung quanh quả tải, tắt đầm rung và đồng hồ bấm giây, sau đó ghi lại thời gian này, vì đó chính là thời gian Vebe (độ cứng Vebe).
2.3.2 Thí nghiệm xác định cường độ nén
Bê tông hoạt động hiệu quả nhất khi chịu nén, vì vậy cường độ chịu nén là tính chất quan trọng hàng đầu của nó Bê tông có thể chịu được nhiều trạng thái khác nhau như kéo, uốn và trượt, nhưng khả năng chịu nén vẫn là yếu tố quyết định đến hiệu suất của vật liệu này.
Mác bê tông, ký hiệu bằng chữ M, là chỉ tiêu cơ bản nhất cho mọi loại bê tông kết cấu, đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế cấp phối bê tông và tính toán kết cấu cho các công trình xây dựng.
Mác bê tông theo cường độ chịu nén là giá trị giới hạn cường độ chịu nén trung bình của các mẫu thí nghiệm hình khối lập phương có cạnh 15 cm, được chế tạo và bảo dưỡng trong 28 ngày dưới điều kiện tiêu chuẩn, với nhiệt độ 27 ± 2°C và độ ẩm từ 90% đến 100%.
Kích thước ở cạnh nhỏ nhất của mỗi viên mẫu tùy theo cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu dùng để chế tạo bê tông được quy định trong bảng 2.5
Bảng 2.6: Kích thước khuôn phân theo Dmax cốt liệu
Cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu
Kích thước cạnh nhỏ nhất của viên mẫu (cạnh mẫu hình lập phương, cạnh thiết diện mẫu lăng trụ, đường kính mẫu trụ)
300 Theo TCVN 6025:1995 mác của bê tông xác định trên cơ sở cường độ chịu nén được phân loại như trong bảng 2.7
Bảng 2.7: Mác bê tông xác định trên cơ sở cường độ chịu nén
Mác bê tông Cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày không nhỏ hơn, kG/cm² M100
Chuẩn bị mẫu thử nén theo nhóm mẫu, mỗi nhóm gồm 3 viên Trong trường hợp sử dụng bê tông khoan cắt từ kết cấu, nếu không đủ 3 viên, có thể lấy 2 viên để tạo thành một nhóm mẫu thử.
Việc lấy hỗn hợp bê tông, đúc bảo dưỡng, khoan cắt mẫu bê tông và chọn kích thước viên mẫu thử nén phải được tiến hành theo TCVN 3105: 1993
Viên chuẩn để xác định cường độ nén của cửa bê tông là viên mẫu lập phương có kích thước 150x150x150mm Đối với các viên mẫu lập phương có kích thước khác và các viên mẫu trụ, kết quả thử nén cần được quy đổi về cường độ của viên chuẩn.
Kết cấu sản phẩm cần thực hiện thử nghiệm mẫu để nghiệm thu thi công hoặc đưa vào sử dụng ở trạng thái cụ thể Việc thử nén các viên mẫu phải được thực hiện đúng ở tuổi và trạng thái tương ứng.
Kiểm tra và chọn hai mặt chịu nén của mẫu thử cần đảm bảo khe hở lớn nhất giữa chúng không vượt quá 0,05mm trên 100mm khi sử dụng thước thẳng Đồng thời, khe hở giữa chúng và thước kẻ góc vuông cũng phải không vượt quá 1mm trên 100mm Đối với mẫu lập phương và mẫu nửa dầm đã uốn, không sử dụng mặt tạo bởi đáy khuôn đúc và mặt hở để làm hai mặt chịu nén.
Nếu các mẫu thử không đạt tiêu chuẩn, cần gia công lại bằng cách mài bớt hoặc làm phẳng bề mặt bằng lớp hồ xi măng cứng không dày quá 2mm Cường độ của lớp xi măng này phải đạt ít nhất một nửa cường độ dự kiến của mẫu bê tông.
Xác định diện tích chịu lực của mẫu bằng cách đo chính xác tới 1mm các cặp cạnh song song của hai mặt chịu nén đối với mẫu lập phương, và các cặp đường kính vuông góc trên từng mặt chịu nén đối với mẫu trụ Sau đó, tính toán diện tích hai mặt chịu nén trên và dưới dựa trên giá trị trung bình của các cặp cạnh hoặc cặp đường kính đã đo Diện tích chịu lực nén của mẫu được xác định là trung bình số học của diện tích của hai mặt này.
Diện tích chịu lực của các nửa viên dầm đã uốn gãy được xác định bằng trung bình số học của diện tích các phần chung giữa các mặt chịu nén phía trên và phía dưới, cùng với các đệm thép truyền lực tương ứng.
- Xác định tải trọng phá hoại mẫu
Phương pháp thiết kế cấp phối BTĐL
Bê tông đầm lăn sử dụng lượng xi măng ít và thường trộn thêm phụ gia khoáng hoạt tính cùng chất độn với khối lượng lớn Loại bê tông này không có độ lưu động như bê tông thông thường và ở trạng thái rời rạc Sau khi đầm lăn, xi măng ninh kết và đông cứng, tạo thành một khối vững chắc giống như bê tông truyền thống, với khả năng duy trì cường độ theo thời gian Bê tông đầm lăn cũng bao gồm ba pha rắn, lỏng và khí như bê tông truyền thống Quá trình chấn động rung và lăn ép giúp làm chặt hỗn hợp, khiến các hạt di chuyển gần nhau hơn, trong khi các hạt nhỏ lấp đầy khe hở giữa các hạt lớn, đẩy không khí ra ngoài Khi rung ép, keo dính trở nên “hóa lỏng” và lấp đầy các khe hở, tạo ra tính chất lưu động nhất định.
Việc đầm chặt của hỗn hợp BTĐL vừa mang đặc điểm của bê tông truyền thống vừa có một số đặc trưng thi công nén chặt đất đá
2.4.1 Phương pháp thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn theo Hiệp hội quân sự Mỹ USACE
Phương pháp này sử dụng các bảng tra và biểu đồ để lựa chọn giá trị cần thiết, sau đó thực hiện thí nghiệm để kiểm tra và điều chỉnh các thông số, nhằm đạt được thành phần cấp phối BTĐL phù hợp với yêu cầu thiết kế.
Sau đây là trình tự thiết kế thành phần BTĐL theo USACE [25]:
Bước đầu tiên là xác định các số liệu ban đầu, bao gồm cường độ trung bình yêu cầu, tuổi thiết kế, loại chất kết dính (CKD) có hoặc không có puzolan, và kích thước hạt lớn nhất của cốt liệu Sau khi lựa chọn thành phần bê tông đầm lăn (BTĐL), các tính chất khác như độ nhiệt, hệ số khuyếch tán, từ biến, ứng suất và biến dạng sẽ được tiến hành kiểm tra.
Bước 2: Xác định tính chất của vật liệu cho BTĐL, đảm bảo khối lượng phù hợp để thực hiện các mẻ trộn với dung tích khoảng 500 lít.
Bước 3: Dựa vào D max cốt liệu, độ cứng Vebe lựa chọn lượng dùng nước sơ bộ và hàm lượng bọt khí
Bước 4: Tính toán lượng xi măng cần thiết để đạt được cường độ nén yêu cầu Nếu có sử dụng puzolan, cần tính toán lượng xi măng và puzolan dựa trên khối lượng xi măng tương đương.
Bước 5: Tính toán tỷ lệ cốt liệu lớn phù hợp về thành phần hạt so với yêu cầu
Bước 6: So sánh thành phần hạt cốt liệu nhỏ thực tế sử dụng với phạm vi thành phần hạt theo khuyến cáo
Bước 7: Xác định thể tích tuyệt đối và khối lượng của vật liệu dựa theo kết quả thu được từ bước hai đến bước 6
Bước 8: Xác định thể tích vữa bằng cách tính toán phần cốt liệu lọt sàng 4.75mm, CKD, nước và thể tích bọt khí, sau đó so sánh với các giá trị khuyến cáo.
Để đảm bảo các lỗ hổng trong cốt liệu được lấp đầy bằng hồ CKD, tỷ lệ “thể tích hồ hoặc thể tích vữa” cần phải lớn hơn hoặc bằng 0.42 Do đó, cần điều chỉnh hợp lý lượng hạt mịn.
Bước 10: Kiểm tra tính công tác của hỗn hợp bê tông đầm lăn (BTĐL) và cường độ ở các tuổi cần thiết thông qua các mẻ trộn thử Đối với BTĐL có D max = 38mm, sau khi kiểm tra khối lượng thể tích, tiến hành sàng ướt để loại bỏ các hạt cốt liệu có đường kính 38mm Tiếp theo, kiểm tra độ cứng Vebe và hàm lượng bọt khí, sau đó đúc mẫu bê tông để kiểm tra cường độ và các tính chất khác của BTĐL.
Bảng 2.11: Hàm lượng của nước, cốt liệu và vữa theo đường kính cốt liệu
TB Phạm vi TB Phạm vi TB Phạm vi Lượng nước a Độ cứng Vebe < 30s b Độ cứng Vebe > 30s
Hàm lượng cát so với tổng lượng cốt liệu, % a.Cốt liệu nghiền b.Cốt liệu tròn
29-35 27-34 Hàm lượng vữa, % a.Cốt liệu nghiền b.Cốt liệu tròn
Tỷ lệ hồ CDK/vữa 0.41 0.27-0.55 0.41 0.31-0.56 0.44 0.33-0.59 Hàm lượng bọt khí, % 1.50 0.10-4.20 1.10 0.20-4.10 1.10 0.50-3.30
2.4.2 Phương pháp thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn của Bộ xây dựng Nhật Bản
Các tính toán cũng dựa trên nguyên tắc thể tích tuyệt đối Tuy nhiên quá trình tính toán và thí nghiệm khá phức tạp (xem sơ đồ hình 2.4)
Hình 2.4: Sơ đồ thiết kế thành phần BTĐL
Dưới đây tóm tắt những điểm chính của phương pháp này:
Xác định lượng xi măng cần thiết dựa trên cường độ yêu cầu, sử dụng lượng CKD tối thiểu nhưng vẫn đảm bảo đạt tiêu chuẩn cường độ Việc thêm tro bay giúp giảm nhiệt thuỷ hoá và lượng nước cần dùng Mức ngậm cát của bê tông đầm lăn (BTĐL) cao hơn so với bê tông khối lớn thông thường, điều này giúp giảm hiện tượng phân tầng và tăng khả năng đầm chặt khi sử dụng lu rung.
Lượng xi măng cần sử dụng phụ thuộc vào cường độ nén trung bình yêu cầu, với hầu hết các đập BTĐL ở Nhật Bản có cường độ R 91 = 20MPa và lượng xi măng CKD khoảng 130kg/m³ Tỷ lệ thay thế xi măng bằng tro bay dao động từ 20-30%.
Lượng dùng nước được xác định sau khi đã có kết quả kiểm tra:
+ Khối lượng thể tích vữa
+ Cường độ nén của các cấp phối có lượng dùng nước thay đổi
+ Độ cứng Vebe khi lượng nước thay đổi
Sử dụng đường cong biểu thị tương quan giữa cường độ BTĐL với lượng dùng nước để chọn lượng dùng nước ứng với Vebe là 20s
Thành phần cấp phối hạt cốt liệu lớn được xác định thông qua thực nghiệm bằng cách điều chỉnh tỷ lệ các kích thước hạt để đạt được độ đầm nén tối ưu Cấp phối có khối lượng thể tích lớn nhất sẽ được lựa chọn làm tiêu chuẩn.
Sau khi cố định lượng xi măng, tro bay và nước, tiến hành trộn thử một số mẻ với mức ngậm cát khác nhau Giá trị Vebe được xác định, và mức ngậm cát cho Vebe nhỏ nhất sẽ được chọn Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi sử dụng thùng lớn để thử Vebe, mức ngậm cát hợp lý là từ 30-32% Tiếp theo, xây dựng đường cong quan hệ giữa cường độ bê tông và lượng xi măng, đường cong này sẽ được sử dụng để xác định lượng xi măng cần thiết.
2.4.3 Phương pháp thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn theo ACI
Dựa trên lý thuyết “thể tích tuyệt đối”, tổng thể tích hoàn toàn đặc của vật liệu trong 1m³ bê tông tương đương với 1000 lít Đồng thời, thành phần cấp phối cốt liệu của bê tông đặc lượng (BTĐL) cần phải nằm trong đường bao cấp phối quy định.
Bê tông được xem là một vật liệu hoàn toàn đặc, bao gồm tổng thể tích đặc của các thành phần cấu thành.
Bước 1: Xác định cường độ yêu cầu (R yc ,MPa)
R yc 1.151.2R b (R b :là cường độ chịu nén tối thiểu) (2.2)
Bước 2: Xác định lượng nước nhào trộn N, phụ thuộc vào:
Bước 3: Xác định tỉ lệ Nước/CDK (N/CDK)
CDK giả sử đúng, ngược lại nếu 2.5
N CDK thì tính lại tỉ lệ
Trong đó: A,A 1 : là các hệ số phụ thuộc vào cốt liệu
R X : là cường dộ chịu nén của xi măng ở 28 ngày tuổi
CDK: là chất dính kết (gồm xi măng và tro bay)
Khối lượng xi măng và tro bay (PGK) cần cho 1m 3 bê tông
Bước 4: Xác định khối lượng chất dính kết (CDK, kg)
(2.4) Bước 5: Xác định khối lượng đá dăm Đ,kg Đ Đ Đ r N
Trong đó: CDK , N , C :lần lượt là khối lượng riêng của chất dính kết, nước, cát
: là hệ số dư vữa r Đ : là độ rỗng đá dăm, Đ Đ r Đ
: là khối lượng riêng và khối lượng thể tích của đá dăm
Bước 6: Xác định khối lượng cát (C kg)
Tính toán cho mẻ trộn dung tích V (lít)
+ Xác định hệ số sản lượng, ()
Trong đó: 0 Đ , 0 CDK , 0 C : là khối lượng thề tích của đá, chất dính kết và nước
+ Xác định khối lưỡng vật liệu cho mẻ trộn V (lít)
(2.10) Trong đó: Đ',C',CDK',N'là khối lượng vật liệu cho mẻ trộn V lít.
Một số nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng của BTĐL
2.5.1 Ảnh hưởng của thành phần hạt cốt liệu
Cốt liệu là thành phần chính trong bê tông, chiếm tỷ lệ lớn trong tổng thể cấu trúc Chất lượng và tính năng của cốt liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ và độ bền của bê tông, cũng như các chỉ tiêu vật lý và cơ học khác nhau.
Để đạt được chất lượng bê tông đầm lăn (BTĐL) tốt, cần có một đường cong cấp phối liên tục với đầy đủ các cỡ hạt mịn nhằm lấp đầy các lỗ rỗng trong khối bê tông Việc lựa chọn cốt liệu, kiểm soát tính chất và cấp phối hạt là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng và tính đồng đều của BTĐL Mục tiêu chính là kết hợp hàm lượng cốt liệu tối đa với hàm lượng nước tối thiểu trong hỗn hợp Trong khi yêu cầu thành phần hạt cho bê tông xi măng truyền thống không quá nghiêm ngặt, BTĐL yêu cầu khoảng 40 ÷ 50 % cốt liệu thô và 35 ÷ 40 % cốt liệu mịn, với độ mịn qua sàng 0.075 mm hạn chế dưới 5 % tổng lượng cốt liệu Độ mịn và phân cỡ cốt liệu mịn ảnh hưởng đến yêu cầu dính kết tối thiểu Việc bổ sung các vật liệu nhỏ hơn cỡ sàng 0.075 mm như tro bay, Puzolan hoặc bột đá có thể cần thiết để giảm thể tích lỗ rỗng và cải thiện độ dính kết của hỗn hợp bê tông, đồng thời giảm tổng lượng nước yêu cầu, tỉ lệ N/X và nâng cao cường độ.
Hỗn hợp bê tông được hình thành từ vữa và cốt liệu thô, với tỉ lệ phối hợp giữa vữa cát và cốt liệu cần phải hợp lý Khi sử dụng lượng lớn cốt liệu thô, lượng vữa cát cần giảm, dẫn đến việc tăng diện tích tiếp xúc giữa các hạt lớn Nếu cốt liệu thô quá nhiều, vữa cát sẽ không đủ để lấp đầy các lỗ hổng, gây ra hiện tượng không thể đầm chặt và cốt liệu sẽ treo lơ lửng.
Việc lựa chọn loại cốt liệu thô có ảnh hưởng lớn đến tính chất của bê tông đầm lăn Đá dăm với bề mặt thô ráp và nhiều góc cạnh tạo ra lực ma sát và lực dính lớn hơn so với đá cuội Diện tích bề mặt của đá dăm sỏi lớn, do đó cần nhiều vữa hơn Cốt liệu có hình dạng tròn hoặc lập phương giúp dễ đầm chặt hơn do lực ma sát và lực dính nhỏ Cốt liệu tròn trơn có thể tích bề mặt và tỉ lệ rỗng nhỏ Bê tông đầm lăn không phù hợp với loại hạt dài và dẹt, vì cốt liệu có hàm lượng hạt thoi dẹt cao dễ bị vỡ khi đầm nén.
Cốt liệu nhỏ là thành phần quan trọng trong bê tông đầm lăn (BTĐL), ảnh hưởng trực tiếp đến hàm lượng chất kết dính và khả năng chịu đầm Nó quyết định yêu cầu về lượng nước và chất dính cần thiết để lấp đầy khoảng trống, từ đó cải thiện khả năng chịu lực của vật liệu Khi lượng hồ và vữa đủ để lấp đầy các lỗ rỗng, bê tông sẽ trở nên đặc chắc, dẫn đến cường độ cao hơn Theo “sổ tay kỹ thuật thi công đập bê tông đầm lăn”, việc tăng hàm lượng cốt liệu nhỏ hơn 0.15mm có thể giảm thiểu sự phân tầng, cải thiện độ chặt, nâng cao cường độ và độ chống thấm của bê tông.
Kích thước cốt liệu ảnh hưởng đến diện tích bề mặt, với cốt liệu lớn giúp giảm lượng nước và vữa cần thiết để làm ướt và bôi trơn Khi sử dụng cùng một lượng nước và vữa, cốt liệu lớn sẽ tăng tính công tác Tại Việt Nam, cát tự nhiên thường có ít hạt lọt sàng 0.14mm, gây ra gián đoạn giữa cát và chất kết dính Theo EM 1101-2-2006, cốt liệu mịn cho BTĐL cần có mô đun độ lớn từ 2.1 đến 2.75, nhưng cát tự nhiên Việt Nam thường không đáp ứng yêu cầu về hàm lượng hạt mịn dưới 0.075mm Để khắc phục tình trạng thiếu hạt mịn trong BTĐL, hiện nay, Việt Nam thường sử dụng Puzolan thiên nhiên hoặc tro bay nhiệt điện như phụ gia để lấp đầy thể tích rỗng của cốt liệu.
Hình dạng cốt liệu ảnh hưởng đáng kể đến tính công tác của bê tông; cốt liệu góc cạnh làm cho bê tông khó nhào trộn, trong khi cốt liệu tròn giúp bê tông trở nên dẻo hơn Với cùng một đơn vị thể tích hoặc khối lượng, cốt liệu tròn có diện tích bề mặt nhỏ hơn và lực ma sát giữa các phần tử cũng thấp hơn Do đó, cát tự nhiên và sỏi sông có khả năng cải thiện tính công tác của bê tông tốt hơn so với đá dăm.
Bề mặt hạt cốt liệu ảnh hưởng đến tính công tác của bê tông, với tổng diện tích bề mặt của cốt liệu thô ráp lớn hơn cốt liệu trơn nhẵn trong cùng một thể tích Cốt liệu thô ráp làm giảm tính công tác của bê tông, trong khi cốt liệu trơn nhẵn với lực ma sát thấp hơn giúp tăng cường tính công tác.
2.5.2 Ảnh hưởng của phụ gia hoạt tính và phụ gia hóa dẻo
BTĐL sử dụng xi măng và nước nhào trộn với lượng thấp, dẫn đến hỗn hợp bê tông không đủ độ dẻo và rời rạc Để khắc phục, việc bổ sung phụ gia khoáng như tro bay hoặc chất nghiền mịn là cần thiết, giúp tăng thể tích hồ và lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu Phụ gia khoáng không chỉ cải thiện tính dẻo mà còn nâng cao khả năng chịu đầm và độ chặt của BTĐL Vai trò của phụ gia khoáng rất quan trọng, vì chúng có thể chiếm tỷ lệ lớn hơn cả xi măng trong thành phần BTĐL, do đó, hóa học, độ hoạt tính và độ mịn của chúng ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của BTĐL.
Chất lượng của bê tông đầm lăn (BTĐL) chủ yếu phụ thuộc vào khả năng đầm chặt của hỗn hợp và mức độ liên kết giữa cốt liệu và chất kết dính Việc điều chỉnh các tính chất này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ bền của BTĐL.
BTĐL và tăng liên kết giữa các lớp đầm, sử dụng phụ gia khoáng và hóa học là một giải pháp kỹ thuật được áp dụng thành công nhất
Theo kinh nghiệm quốc tế, để cải thiện hỗn hợp BTĐL có hàm lượng chất kết dính thấp, cần bổ sung nhiều hơn thành phần PGK nghiền mịn Việc này giúp tăng hàm lượng bột mịn và lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu.
Phụ gia khoáng (PGK) là vật liệu khoáng vô cơ, có thể có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, và được chia thành hai loại chính: PGK hoạt tính và PGK không hoạt tính.
PGK hoạt tính có nguồn gốc tự nhiên là các khoáng sản hình thành từ núi lửa hoặc trầm tích sinh học, bao gồm tro núi lửa, đá bọt và đá bazan phong hóa Những vật liệu này thuộc nhóm Puzolanic và thường được gọi là phụ gia khoáng Puzolan Thành phần hóa học và khoáng vật trong đá rất đa dạng, bao gồm các pha thủy tinh và pha kết tinh, trong đó pha thủy tinh và các oxít silic hoạt tính là yếu tố chính tạo nên tính Puzolanic của đá.
PGK hoạt tính là các phế thải nhân tạo từ quy trình sản xuất công nghiệp như silicafum, tro bay nhiệt điện, xỉ lò cao và tro trấu từ nông nghiệp Ngược lại, PGK không hoạt tính bao gồm các loại bột đá tự nhiên như đá vôi, đá đôlômit và đá bazan, với tác dụng chính là cải thiện cấp phối hạt và nâng cao độ đặc của cấu trúc bê tông.
PGK đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo bê tông đúc lắp (BTĐL), là thành phần không thể thiếu PGK không chỉ lấp đầy lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông mà còn tham gia phản ứng với Ca(OH)₂ để tạo ra C-S-H, giúp tăng cường độ đặc chắc cho đá-xi măng Điều này không chỉ nâng cao khả năng chống thấm mà còn cải thiện cường độ và các tính chất khác của bê tông Tóm lại, PGK mang lại nhiều tác dụng tích cực cho chất lượng bê tông.
- Thay thế một phần xi măng để giảm lượng nhiệt thủy hóa và ứng suất nhiệt trong BTĐL sử dụng cho các kết cấu bê tông khối lớn
Kết luận chương 2
Bài viết giới thiệu các lý thuyết về thành phần hạt và vật liệu cần thiết để chế tạo bê tông đầm lăn (BTĐL), cùng với các phương pháp thiết kế thành phần BTĐL được áp dụng tại một số quốc gia trên thế giới Từ đó, bài viết sẽ lựa chọn phương pháp thiết kế thành phần bê tông đầm lăn theo tiêu chuẩn ACI.
- Trình bày thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của BTĐL và một số nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng BTĐL
- Trình bày trong chương 2 nhằm để bổ sung và nghiên cứu chương 3 tiếp theo.