1.1.1 Các nghiên cứu sử dụng cát tự nhiên để sản xuất bê tông xi măng dùng trong xây dựng ở trên thế giới Trên thế giới nhiều nước đã sử dụng rộng rãi các kết cấu áo đường bằng vật liệu
KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG VÀ CẤP PHỐI CỐT LIỆU CHO BÊ TÔNG XI MĂNG LÀM ĐƯỜNG
Giới thiệu chung
Bê tông xi măng (BTXM) đóng vai trò quan trọng trong xây dựng cơ bản và giao thông vận tải, ảnh hưởng lớn đến sự phát triển xã hội Mặc dù đã được sử dụng từ lâu, nhưng việc nghiên cứu để tạo ra một hỗn hợp BTXM đạt chuẩn vẫn chưa được thực hiện tốt, dẫn đến nhiều nhược điểm Vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, nhu cầu sử dụng BTXM gia tăng, thúc đẩy nghiên cứu các thành phần của hỗn hợp để đạt được cường độ và yêu cầu mong muốn Châu Âu, đặc biệt là Đức, Pháp và Nga, là nơi phát triển các tiêu chuẩn kỹ thuật cho BTXM Sự tiến bộ trong khoa học công nghệ đã nâng cao chất lượng BTXM, giúp nó ghi dấu ấn sâu sắc trong xây dựng cơ bản và phát triển đất nước Mặc dù bê tông nhựa cũng phát triển, nhưng nó gây ô nhiễm và không chịu được nước, tạo điều kiện cho BTXM chiếm ưu thế, như tại xã Lạc Lâm, huyện Đơn Dương, nơi BTXM được sử dụng thay cho bê tông nhựa do tình trạng ngập úng trên quốc lộ 27.
1.1.1 Các nghiên cứu sử dụng cát tự nhiên để sản xuất bê tông xi măng dùng trong xây dựng ở trên thế giới
Nhiều quốc gia trên thế giới đã áp dụng rộng rãi kết cấu áo đường bằng vật liệu bê tông xi măng trong nhiều năm qua Các hội nghị tổng kết kinh nghiệm và nghiên cứu phát triển mới về mặt đường bê tông xi măng được tổ chức hàng năm, cho thấy sự mở rộng không ngừng trong phạm vi áp dụng của loại mặt đường này.
Vào năm 1859, đèn biển cảng Said, Ai Cập được xây dựng bằng bê tông cát biển và vôi, với việc rửa cát sỏi biển bằng nước ngọt để giảm lượng muối Phương pháp trải mỏng cát sỏi ngoài trời giúp nước mưa rửa trôi muối Đầu thế kỷ XX, nhà khoa học K.Newman đã giới thiệu việc khai thác cát, sỏi biển làm cốt liệu cho bê tông, và Hội bê tông xi măng nước Anh đã công bố chuyên đề về vật liệu này Năm 1956, Hội quốc gia về cát ở Mỹ thông báo về việc sử dụng cát biển trong chế tạo bê tông Hàm lượng muối NaCl ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa của xi măng; nếu dưới 0.5% khối lượng xi măng, không ảnh hưởng đến cường độ bê tông, nhưng nếu cao hơn, sẽ giảm cường độ mô đun đàn hồi Hội nghị khoa học ở Anh năm 1970 chưa xác định được ảnh hưởng của CaCl2, nhưng lưu ý đến tác động của muối clorua đối với tường mỏng Các chuyên gia cho rằng có thể sử dụng cát biển và nước ngọt để trộn bê tông mà không gây trở ngại đáng kể cho tính năng cơ lý và sức bền của bê tông, nhưng cần lưu ý một số vấn đề khi sử dụng.
Không nên sử dụng cốt liệu biển trong sản xuất bê tông dự ứng lực, vì muối có khả năng gây han rỉ cho cốt thép, làm cho thép nhỏ dễ bị đứt.
+ Muối làm tăng rất nhanh tốc độ đông cứng của bê tông mà không cần phụ gia tăng nhanh cứng hóa vào bê tông
Vào năm 1964, một bài viết trên tạp chí bê tông tại Ấn Độ đã thảo luận về việc sử dụng cát biển và nước biển trong sản xuất bê tông Bài viết đã trích dẫn nhiều quan điểm khác nhau về việc áp dụng các vật liệu này và đưa ra một số kết luận chung.
Vào năm 1965, hai nhà khoa học F.M Ivanov và V.C Glabkov ở Liên Xô cũ đã nghiên cứu việc sử dụng cát biển từ biển Đen để sản xuất bê tông thủy công, đặc biệt chú trọng đến ảnh hưởng của hàm lượng vỏ sò, hến trong cát đối với tính chất của vữa và bê tông xi măng Tuy nhiên, tài liệu từ Liên Xô cũ cảnh báo rằng cát biển chứa tinh thể muối ăn không thể sử dụng trong bê tông do ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất của bê tông và khả năng gây ra xâm thực Đối với bê tông cốt thép, việc sử dụng cát biển là hoàn toàn không được khuyến khích vì muối trong cát có thể gây rỉ sét cho cốt thép Năm 1973, Hà Lan đã công bố nghiên cứu về việc sử dụng cát sỏi biển để chế tạo bê tông xi măng.
Các quốc gia phát triển như Mỹ, Anh và Nhật Bản đang ngày càng sử dụng bê tông xi măng trong xây dựng hạ tầng giao thông, coi đây là một chiến lược phát triển bền vững cho tương lai.
Hình 1.1 : Đường cao tốc bằng bê tông xi măng sử dụng cát tự nhiên tại
Các khu vực có địa hình chịu nhiệt độ cao và khí hậu thường xuyên thay đổi ngày càng sử dụng nhiều đường bê tông xi măng Nhiệt độ tác động lên đường bê tông nhựa nóng ảnh hưởng lớn hơn đến kết cấu mặt đường so với đường bê tông xi măng.
Tác động môi trường từ sản xuất bê tông nhựa nóng là rất lớn, vì vậy nhiều quốc gia phát triển đang chú trọng đến việc phát triển đường bê tông xi măng như một giải pháp thay thế.
1.1.2 Các nghiên cứu sử dụng cát tự nhiên để sản xuất bê tông xi măng dùng trong xây dựng ở Việt Nam Ở Việt Nam, việc ứng dụng bê tông xi măng để xây dựng mặt đường ô tô được bắt đầu từ thời Pháp thuộc.Từ những năm 1960-1961, việc nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng được tiến hành với quy mô ngày càng mở rộng; khởi xướng là bộ môn đường của Trường Đại học Bách khoa, sau đó có nhiều cơ quan khác nghiên cứu như Viện Khoa học– Công nghệ Giao thông Vận tải, Viện Thiết kế Giao thông, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Trường Đại học Xây dựng, …Tới nay, mặt đường bê tông xi măng vẫn được các nhà nghiên cứu, các nhà quản lý quan tâm Hệ thống tiêu chuẩn ngày càng hoàn thiện và công nghệ xây dựng ngày càng phát triển đồng bộ và hiện đại [2] Mặt đường bê tông xi măng cốt thép được xây dựng tại đường Hùng Vương, Hà Nội năm 1975 Trên quốc lộ 2 đoạn Thái Nguyên - Bắc Cạn xây dựng 30km đường bê tông xi măng vào năm 1984, đường Nguyễn Văn Cừ (Bắc cầu Chương Dương) Tiếp theo là trên Quốc lộ 1A với tổng chiều dài các đoạn khoảng 30km vào năm 1999 tại các đoạn ngập lụt
Hình 1.2: Hình ảnh xây dựng đường ô tô bằng bê tông xi măng
Trên quốc lộ 27 qua Xã Lạc Lâm huyện Đơn Dương, đường bê tông nhựa nóng đã được thay thế bằng bê tông xi măng cốt thép sử dụng cát tự nhiên Đường Hồ Chí Minh nhánh phía Đông dài 86km và nhánh phía Tây trên 300km, trong khi Quốc lộ 12A Quảng Bình dài 12km Loại mặt đường bê tông xi măng cốt thép liên tục lần đầu tiên được ứng dụng tại Quốc lộ 12A và trạm thu phí cầu Bãi Cháy Đường giao thông nông thôn chủ yếu sử dụng mặt đường bê tông xi măng với kết cấu đơn giản, đáp ứng nhu cầu giao thông địa phương Kỹ thuật thi công đường bê tông xi măng đơn giản, dễ nhân rộng Nhiều nghiên cứu về BTXM sử dụng cát tự nhiên đã cho kết quả khả quan, như nghiên cứu của PGS.TS Trần Tuấn Hiệp về việc sử dụng cát biển và nước nhiễm mặn.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện tại Việt Nam về việc sử dụng cát tự nhiên trong sản xuất bê tông xi măng, bao gồm các tác phẩm như “Bê tông cát đen” của Hoàng Phủ Lan và “Vật liệu xây dựng bằng cát Sông Hồng” của Vũ Linh Đặc biệt, nghiên cứu về cát biển trong sản xuất bê tông xi măng đã được đề cập trong các công trình của Võ Thới Trung và PGS.TS.Nguyễn Hữu Trí, ThS Lê Anh Tuấn, PGS.TS.Vũ Đức Chính Tuy nhiên, việc sử dụng cát biển vẫn chưa đáp ứng được các quy định cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam.
Gần đây, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về việc sử dụng cát mịn và cát biển trong chế tạo bê tông xi măng tại các địa phương như Vũng Tàu, Bình Thuận, Ninh Thuận, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Lăng Cô - Đà Nẵng, Quảng Bình, Quảng Trị, Quảng Ninh, và khu vực nước nhiễm mặn ở cửa sông Sài Gòn.
Nghiên cứu của PGS.TS Trần Tuấn Hiệp và các cộng sự về việc sử dụng cát biển và nước nhiễm mặn trong bê tông xi măng (BTXM) đã diễn ra từ năm 1996 tại 13 tỉnh thành ven biển Việt Nam, mang lại nhiều kết quả quan trọng Cát biển tại Vũng Tàu và Bình Thuận có đặc điểm là cát mịn với mô đun độ lớn từ 0.945 đến 1.131, độ sạch cao với hàm lượng bụi bẩn và sét dưới 0.67%, cùng với hàm lượng mi ca từ 0.165 đến 0.255% và tổng lượng muối khoảng 0.01% Tuy nhiên, cường độ chịu nén của bê tông sử dụng cát biển sau 28 ngày tuổi thấp hơn từ 10 đến 15% so với bê tông dùng cát vàng Mô đun đàn hồi khi nén tĩnh của bê tông xi măng với cát biển đạt từ 90.3 đến 93.7% so với bê tông xi măng thông thường, trong khi độ mài mòn của bê tông xi măng với cát biển cao hơn từ 12 đến 13% so với bê tông xi măng dùng cát tự nhiên hạt to.
Nghiên cứu của PGS.TS Trần Tuấn Hiệp và TS Tô Nam Toàn từ Trường Đại học Giao thông Vận tải đã chỉ ra rằng cát biển Quảng Ninh có mô đun độ lớn từ 1.79 đến 1.96, với hàm lượng bụi, bùn, sét từ 0.01 đến 1.56% và hàm lượng muối từ 1.30 đến 1.64% Mặc dù cường độ chịu nén của bê tông xi măng sử dụng cát biển thấp hơn từ 5 đến 10% so với cát tự nhiên, nhưng sau 28 ngày, bê tông xi măng từ cát biển vẫn tiếp tục tăng trưởng cường độ, với cường độ ở 60 ngày tuổi cao hơn 28 ngày tuổi từ 5 đến 10% Việc khai thác cát biển để chế tạo bê tông xi măng trong xây dựng đường ô tô là khả thi, giúp đa dạng hóa vật liệu xây dựng tại địa phương Tuy nhiên, cát mịn biển có một số hạn chế như độ co ngót cao, khả năng chịu mài mòn và cường độ chịu kéo uốn thấp, do đó chỉ nên sử dụng cho bê tông xi măng không cốt thép.
1.1.3 Kết quả nghiên cứu và một số tính chất của bê tông sử dụng đá mi, vật liệu thay thế cát:
Yêu cầu, tính chất , thành phần bê tông xi măng làm đường ô tô
1.2.1 Các yêu cầu của bê tông xi măng làm đường ô tô
Thiết kế mặt đường bê tông xi măng thì cường độ kéo uốn thiết kế yêu cầu (f r ) của tấm BTXM được quy định
Fr > 5.0 Mpa :đối với BTXM mặt đường cao tốc, đường cấp I, cấp II và các đường có cấp quy mô giao thông nặng, rất nặng, cực nặng
Đối với các đường có quy mô giao thông cấp trung bình và nhẹ, khi áp lực F r > 4,5 Mpa, cần chú ý đến các xe nặng với trục đơn > 100 KN.
Đối với các đường giao thông cấp nhẹ không có xe nặng, yêu cầu cường độ chịu nén tối thiểu là 4.0 Mpa Đối với đường cấp I, II, III và các tuyến đường có nhiều xe tải nặng, cường độ chịu nén tối thiểu cần đạt 10 Mpa ở tuổi 28 ngày và 7 Mpa ở tuổi 7 ngày để kiểm tra chất lượng thi công Ngoài ra, độ kéo uốn tối thiểu yêu cầu là 25 Mpa ở tuổi mẫu 28 ngày.
Bảng 1.1 Trị số tính toán của các loại BTXM trong xây dựng đường ô tô
Cường độ kéo uốn (Mpa)
Mô đun đàn hồi (Gpa)
Theo dự thảo thi công mặt đường cũng quy định các chỉ tiêu cơ lý BTXM làm mặt đường ô tô phải thỏa mãn như trong bảng 1.2
Bảng 1.2 : Các chỉ tiêu cơ lý và độ sụt của BTXM mặt đường ô tô
Các chỉ tiêu cơ lý
Công nghệ ván khuôn trượt (tốc đột rãi từ 0,5 – 2,0m/phút)
Ván khuôn cố định Phương pháp Công nghệ thử ván khuôn ray và các công nghệ thi công liên hợp khác
Công nghệ thi công đơn giản
Cường độ kéo khi uốn thiết kế ở tuổi 28 ngày,
+ 5.0 Mpa với mặt đường bê tông xi măng đường cao tốc cấp I, cấp II
+ 4.5 Mpa với mặt đường bê tông xi măng đường ô tô cấp III trở xuống
TCVN 3105- 3119: 1993 Độ mài mòn g/cm 2 không lớn hơn
+ 0.3 g/cm 2 Mpa với mặt đường bê tông xi măng đường cao tốc, cấp I, cấp II, cấp III
+ 0.6 g/cm 2 với mặt đường bê tông xi măng, đường ô tô cấp IV trở xuống
TCVN 3114:1993 Độ sụt, mm 10 † 20 20 † 30 20† 40 TCVN
Cường độ kéo uốn trung bình của bê tông chế thử trong phòng thí nghiệm cần phải đạt ít nhất 1,15 đến 1,2 lần so với cường độ thiết kế yêu cầu khi thiết kế thành phần bê tông của nhà thầu.
Các yêu cầu trong tiêu chuẩn hiện hành chỉ ra rằng bê tông xi măng dùng làm mặt đường cần có các tính chất đặc thù như cường độ chịu kéo uốn, khả năng chịu mài mòn và độ sụt Những yêu cầu này nghiêm ngặt hơn so với bê tông sử dụng trong các ngành xây dựng cơ bản khác.
1.2.2 Lý thuyết thành phần hạt của cốt liệu trong bê tông xi măng Ảnh hưởng đến độ đặc cốt liệu và độ lưu động cũng như các tính chất của hỗn hợp bê tông là thành phần hạt của cốt liệu Nghiên cứu thành phần hạt của BTXM đóng vai trò quan trọng Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học đưa ra một số lý thuyết cơ sở về thành phần hạt như:
1.2.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn trong đá mi đến tính chất của bê tông xi măng Định nghĩa về kích thước của hạt mịn thì rất đa dạng và có nhiều ý kiến rất khác nhau Theo tiêu chuẩn sản xuất EN đối với cốt liệu bê tông, hạt mịn là tất cả những nguyên liệu vật liệu có kích thước nhỏ hơn 0.063 mm, theo tiêu chuẩn ASTM là các hạt nhỏ hơn hoặc bằng 0.075 mm, ở Na Uy thì phổ biến chung là tất cả các hạt nhỏ hơn 0.125 mm, còn tại Việt Nam thì hạt kích thước nhỏ hơn 0.14 mm trong cát được gọi là hạt mịn
Hàm lượng hạt mịn trong đá mi ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất của bê tông, là một chủ đề nghiên cứu quan trọng trên toàn thế giới Các quy định hiện hành cho phép hàm lượng hạt mịn từ 10% đến 20% (thậm chí lên đến 30%) tùy thuộc vào loại bê tông và yêu cầu sử dụng mà không làm giảm chất lượng bê tông Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào đá vôi, trong khi các loại đá như andesite và ryolit, có trữ lượng lớn tại các mỏ đá Hưng Nguyên, Thạch Thảo, Căn Kin, Rờ Lôm, vẫn chưa được nghiên cứu cụ thể Nghiên cứu này sẽ xem xét ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn trong đá mi từ đá andesite tại huyện Đơn Dương đến các tính chất của bê tông.
1.2.2.2 Các nghiên cứu liên quan đến ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn trong đá mi đến các tính chất của bê tông xi măng
Hạt mịn là thành phần quan trọng trong đá mi, thường được coi là chất trám hoặc trộn Trong đá mi, hạt mịn chủ yếu là bột đá nghiền nát với thành phần khoáng tương tự như các hạt lớn Ngược lại, trong cát tự nhiên, hạt mịn có thể chứa đất sét hoặc các hạt có hại khác Tiêu chuẩn GB/T14684 của Trung Quốc là một trong những tiêu chuẩn phổ biến được áp dụng.
Năm 2001, quy định về hàm lượng hạt mịn trong đá mi được xác định cụ thể với các mức 3%, 5% và 7% tùy thuộc vào cấp cường độ bê tông (tuổi 28 ngày, bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn) với cường độ cao hơn 60MPa, giữa 60MPa và 30MPa, và thấp hơn 30MPa Có thể sử dụng tối đa 15% hạt mịn đá vôi như một phần thay thế cốt liệu mịn trong bê tông đá mi có cường độ nén thấp, hoặc 10% hạt mịn đá vôi trong bê tông đá mi có độ bền cao để nâng cao cường độ kháng nén và kéo uốn Khả năng chịu mài mòn của bê tông đá mi được cải thiện khi sử dụng 7% và 10% hạt mịn, nhưng nếu vượt quá 10% hạt mịn đá vôi, khả năng mài mòn sẽ giảm đáng kể Hầu hết các quốc gia trên thế giới quy định hàm lượng hạt mịn trong đá mi khoảng 15%, có khi lên đến 25 đến 30%.
Khu vực huyện Đơn Dương tỉnh Lâm Đồng chủ yếu có đá andesite, ryolit và granit Quá trình loại bỏ hạt mịn trong đá mi thường sử dụng phương pháp phân loại ướt, nhưng điều này làm tăng giá thành do cần nguồn nước và gây ô nhiễm môi trường Do đó, quy trình sản xuất khô đã được áp dụng bởi một số cơ sở sản xuất cát, giúp giảm chi phí khai thác và giá thành sản phẩm Mặc dù phương pháp này loại bỏ hiệu quả các hạt nhẹ, nhưng hạt mịn của đá andesite và granit vẫn còn nặng, dẫn đến sản phẩm đá mi của một số nhà máy có hàm lượng hạt mịn cao, ảnh hưởng đến tính chất của hỗn hợp bê tông xi măng.
1.2.2.3 Kết quả trên nghiên cứu đưa ra một số nhận xét
Khi tỷ lệ hạt mịn trong đá mi vượt quá 10 đến 20%, độ sụt của bê tông giảm rõ rệt Tỷ lệ hạt mịn 5% mang lại độ sụt tốt nhất cho bê tông, trong khi các tỷ lệ 0%, 10%, 15% và 20% lần lượt làm giảm độ sụt 51%, 6%, 23% và 37% so với tỷ lệ 5% Mặc dù tỷ lệ 5% cho độ sụt tốt nhất, nhưng vẫn thấp hơn so với cát tự nhiên có hạt to 8% Hàm lượng hạt mịn từ 5 đến 10% giúp cường độ chịu nén, kéo uốn và mô đun đàn hồi của bê tông đạt giá trị tối ưu.
Hàm lượng hạt mịn trong đá mi ảnh hưởng lớn đến cường độ và độ co ngót của bê tông Khi hàm lượng hạt mịn là 0% hoặc từ 10 đến 20%, cường độ bê tông giảm đáng kể Độ co ngót của bê tông tăng khi tỷ lệ hạt mịn tăng, với hàm lượng hạt mịn dưới 10% thì độ co ngót tương tự như khi sử dụng cát tự nhiên Tuy nhiên, khi hàm lượng hạt mịn vượt quá 10%, độ co ngót tăng mạnh, yêu cầu quy trình bảo dưỡng nghiêm ngặt hơn Đối với lớp mặt đường, khả năng chịu mài mòn cao là yếu tố quan trọng, và bê tông cần đạt cường độ fc' ≥ 30 đến 35 MPa để đảm bảo độ mài mòn Các cấp bê tông thấp hơn cần có giải pháp chống mài mòn trên bề mặt Kết quả thực nghiệm cho thấy bê tông đạt chất lượng tốt khi hàm lượng hạt mịn trong đá mi là 5%.
1.2.3 Lý thuyết cấp phối cốt liệu lý tưởng của Fuller
Lý thuyết của Fuller – Thomson, Talbot, và Weymouth được áp dụng cho các loại bê tông truyền thống, với việc đánh giá và nghiên cứu dựa trên thực nghiệm Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng lý thuyết cốt liệu lý tưởng của Fuller để định hướng cho quá trình nghiên cứu.
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 thông 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 cụ thể.
Trong đó : YTi : lượng lọt sàng lý tưởng (lý thuyết)
Kích cỡ lớn nhất của cốt liệu, ký hiệu là X max, được tính bằng mm và là điểm kết thúc của đường cong lý tưởng Đường cong lý tưởng này được xác định bắt đầu từ điểm (X 0, 0), trong đó các hạt nhỏ hơn X 0 = 0.075mm được gọi là bột Để tính toán giá trị này, đường cong lý tưởng Fuller có dạng cụ thể.
T là hệ số phụ thuộc vào kích cỡ lớn nhất của cốt liệu và phải quan tâm rằng độ cong đường cong Fuller
Có thể thay đổi phụ thuộc vào cốt liệu (gốc cạnh hay tròn trơn)
Một số các đặc điểm của phản ứng thuỷ hoá hạt xi măng
Phản ứng này diễn ra chậm và kéo dài, với một số lý thuyết cho rằng nó rất khó để kết thúc Điều này giúp giải thích sự gia tăng cường độ của bê tông theo thời gian, không tính đến ảnh hưởng của môi trường và điều kiện chịu lực.
+ Thông thường theo thí nghiệm thấy rằng hàm lượng xi măng chưa thuỷ hoá sau 28 ngày khoảng dưới 20% hàm lượng toàn bộ hạt
Phản ứng sinh nhiệt trong quá trình thủy hóa xi măng chủ yếu do các thành phần C3A và C3S tạo ra Tổng lượng nhiệt sinh ra phụ thuộc vào loại xi măng và lượng xi măng sử dụng, nếu không tính đến các yếu tố bên ngoài.
Tốc độ và mức độ phản ứng thuỷ hoá chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm độ mịn của hạt xi măng, nhiệt độ trong hỗn hợp, tác động cơ học (mặc dù thời gian đầm lâu có thể làm giảm tốc độ thuỷ hoá), loại phụ gia sử dụng và tốc độ tạo nhiệt.
Các lỗ rỗng trong cấu trúc vữa xi măng có ảnh hưởng lớn đến tính bền của nó Do đó, việc giảm tối đa hàm lượng lỗ rỗng là rất quan trọng Các nguyên nhân gây ra lỗ rỗng cần được xác định và khắc phục để nâng cao chất lượng cấu trúc.
+ Do tính không thể xít được của các hạt xi măng khi liên kết
Lượng nước tự do trong bê tông, chiếm từ 10 đến 20% tổng lượng nước sử dụng, là phần nước còn lại sau phản ứng thủy hóa, và tỷ lệ này phụ thuộc vào loại bê tông.
+ Do hàm lượng bọt khí tạo ra trong quá trình trộn
Như vậy nguyên tắc giảm độ rỗng (tăng độ chặt) là:
+ Giảm tối đa có thể lượng nước không cần cho thuỷ hoá
+ Tạo độ linh động cho các hạt xi măng khi thuỷ hoá
Tác dụng cơ học hợp lý giúp giảm trở lực của liên kết xi măng nước, làm cho các hạt sít lại gần nhau hơn Lỗ rỗng tồn tại dưới hai dạng: lỗ rỗng trong khoảng không giữa các hạt và lỗ rỗng dưới dạng các màng lưới mao dẫn.
Cấu trúc của vữa - xi măng được xác định bởi sự liên kết giữa các hạt xi măng và hàm lượng hạt xi măng đã được thuỷ hoá Dù chỉ sử dụng một lượng nước tối thiểu để thuỷ hoá toàn bộ xi măng, lỗ rỗng trong cấu trúc vẫn luôn tồn tại Sự gia tăng hàm lượng nước ngoài thuỷ hoá và lượng xi măng sẽ dẫn đến sự tăng trưởng tự nhiên của lỗ rỗng trong cấu trúc.
Cấu trúc vi mô của vữa xi măng là yếu tố then chốt trong việc hình thành cấu trúc bê tông Đặc biệt, trong bê tông cường độ cao, ảnh hưởng của nó đến tính chất của bê tông còn lớn hơn cả ảnh hưởng từ cấu trúc cốt liệu lớn.
Để tăng độ đặc của cấu trúc, cần nâng cao độ linh động của các hạt xi măng và áp dụng các tác động cơ học hợp lý nhằm cải thiện khả năng xếp sít của sản phẩm xi măng phản ứng với nước, từ đó giảm hàm lượng lỗ rỗng tự nhiên Đồng thời, cần giảm tối đa lượng nước thừa không cần thiết cho quá trình thủy hóa, hạn chế lượng bọt khí hình thành và kích thích phản ứng thủy hóa để đảm bảo hàm lượng lõi xi măng khan của hạt là thấp nhất khi kết thúc giai đoạn bảo dưỡng.
Cấu trúc vùng tiếp giáp giữa hồ xi măng và cốt liệu
Cấu trúc vùng tiếp giáp giữa hồ xi măng và cốt liệu ảnh hưởng lớn đến sự làm việc đồng thời của các bộ phận bê tông, tính toàn khối và độ ổn định Chiều dày lớp tiếp xúc dao động từ 20-50mm, với sự hình thành tinh thể Ca(OH)2 và CaCO3 trên bề mặt cốt liệu do thủy phân C3S Sự tương tác hóa học giữa cốt liệu và sản phẩm thủy hóa của xi măng tăng cường trong điều kiện gia cường nhiệt Độ bền liên kết giữa cốt liệu và hồ xi măng phụ thuộc vào bản chất cốt liệu, độ rỗng, độ nhám, độ sạch, loại xi măng và tỷ lệ N/X Bê tông có tỷ lệ N/X thấp, được trộn và đầm chắc hợp lý sẽ tạo ra vùng tiếp giáp tốt nhất với lực dính cao nhất Đây là vùng quan trọng nhưng cũng yếu nhất trong cấu trúc bê tông, nơi vết nứt đầu tiên thường xuất hiện và phát triển trong hồ xi măng đã đông cứng.
Độ rỗng trong bê tông
Trong bê tông bao gồm những lỗ rỗng, nhỏ li ti và lỗ rỗng mao quản Độ rỗng của nó có thể lên tới 10 đến 15% và bao gồm:
-Lỗ rỗng trong đá xi măng ( lỗ rỗng gen, lỗ rỗng mao quản, lỗ rỗng do khí cuốn vào)
- Lỗ rỗng trong cốt liệu
- Lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu – khoảng không gian giữa các hạt cốt liệu không được chèn đầy hồ xi măng
Bê tông cốt liệu đặc với khả năng đầm nén tốt sẽ tạo ra độ rỗng chủ yếu trong đá xi măng, cùng với lượng khí bị cuốn vào trong quá trình thi công.
Các giai đoạn hình thành cấu trúc vi mô của hỗn hợp bê tông xi măng
Có thể chia thành ba giai đoạn sau:
Trong giai đoạn chưa hình thành cấu trúc, bê tông là một hỗn hợp biến động, bắt đầu từ thời điểm trộn tất cả các thành phần cho đến khi ninh kết Tính dẻo của hỗn hợp vẫn được duy trì, và hàm lượng xi măng thủy hóa đạt mức cao nhất trong giai đoạn này Các hạt xi măng bắt đầu quá trình ninh kết, chuyển đổi môi trường tiếp xúc từ dạng huyền phù sang dạng keo.
Lực dính kết giữa các hạt xi măng, hạt cát và hồ vữa xi măng chưa được hình thành.
Giai đoạn hình thành cấu trúc không ổn định là thời điểm hỗn hợp bắt đầu phát sinh lực kết dính, mặc dù lực kết dính kết tinh còn nhỏ Trong giai đoạn này, hỗn hợp dần mất tính dẻo và hình thành các tính chất cơ lý mới Cuối giai đoạn, tính dẻo hoàn toàn mất đi, dẫn đến sự hình thành tính chất tinh thể ổn định Nếu có tác động cơ học, cấu trúc tinh thể sẽ bị phá hoại, làm giảm nhanh lực dính và ngăn chặn sự phát triển tiếp theo Giai đoạn này kéo dài từ khi bắt đầu ninh kết cho đến khi kết thúc ninh kết.
Giai đoạn cấu trúc ổn định của bê tông là giai đoạn mà cấu trúc tinh thể hình thành và lực dính phát triển đồng đều Mặc dù phản ứng thuỷ hoá vẫn diễn ra, nhưng nó rất yếu và chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài như độ ẩm và nhiệt độ Những yếu tố này không chỉ giúp phát triển lực dính mà còn tạo ra ảnh hưởng phụ từ ứng suất nhiệt trong hỗn hợp bê tông, kích thích phản ứng thuỷ hoá Quá trình này bắt đầu khi bê tông mất hoàn toàn tính dẻo và lực dính chủ yếu hình thành trong giai đoạn này.
1.7 Các hướng kỹ thuật làm tăng cường độ dính và cường độ vữa xi măng, tính mài mòn
1.7.1 Các hướng kỹ thuật làm tăng cường độ dính
- Tác động cơ học hợp lý
- Cải thiện tính chất nhiệt ẩm của cốt liệu
- Tăng tính linh động của các hạt xi măng thuỷ hoá
Cường độ vữa xi măng (Rv) chịu ảnh hưởng từ cường độ của xi măng, lượng xi măng sử dụng, và lực ép chặt giữa các hạt xi măng Việc này giúp giảm độ rỗng trong cấu trúc vữa, đồng thời giảm hàm lượng lõi xi măng khan chưa được thuỷ hoá.
Giải pháp tăng cường độ bê tông bằng cách tăng hàm lượng xi măng không hiệu quả do tính chất không thể xếp sít nhau của các hạt xi măng, dẫn đến sự hình thành lỗ rỗng trong cấu trúc vữa Để tăng cường độ vữa xi măng (Rv) một cách hiệu quả, nên sử dụng xi măng chất lượng cao với hàm lượng hợp lý, giúp giảm thiểu các hiệu ứng phụ trong bê tông.
1.7.2 Độ sụt và độ mài mòn trong bê tông Độ mài mòn là khả năng của vật liệu chịu tác dụng của lực ma sát nếu bề mặt của đường bê tông xi măng sử dụng quá nhám do hàm lượng hạt mịn thấp dẫn đến độ mài mòn cao trong quá trình ma sát của mặt đường với phương tiện di chuyển trên nó Nên xác định độ mài mòn của bê tông xi măng sử dụng đá mi để nắm rõ hơn về cấu trúc của nó Độ mài mòn được xác định:
Với F: tiết diện mẫu (cm 2 )
G 1 , G 2 : khối lượng mẫu và trước sau khi mài mòn
Hạt mịn trong đá mi ảnh hưởng đáng kể đến độ sụt và độ mài mòn của bê tông xi măng Khi tỷ lệ hạt mịn vượt quá 10-20%, độ sụt sẽ giảm rõ rệt Do đó, việc phân tích và lựa chọn độ mịn thích hợp cho đá mi là 5,5% Mặc dù độ sụt đạt yêu cầu, nhưng vẫn còn hạn chế so với cát tự nhiên.
Khi độ sụt trong đá mi tăng, độ co ngót của bê tông cũng tăng theo, do đó hàm lượng hạt mịn trong đá mi không thể so sánh với cát tự nhiên Quá trình bảo dưỡng bê tông xi măng sử dụng đá mi cần phải nghiêm ngặt hơn so với bê tông sử dụng cát tự nhiên Đối với đường bê tông xi măng chịu tải lớn, độ mài mòn phải thấp để đáp ứng yêu cầu sử dụng Theo tiêu chuẩn, bê tông xi măng cần đạt độ mài mòn với cường độ từ 30 đến 35 Mpa, trong khi các cấp bê tông thấp hơn cần có giải pháp chống mài mòn cho bề mặt.
Bảo dƣỡng bê tông xi măng
Bảo dưỡng bê tông là một quá trình đơn giản nhưng đòi hỏi sự chu đáo và cẩn trọng Để đảm bảo độ bền dẻo, bê tông cần được đảo liên tục trong quá trình chờ thi công, tránh tình trạng không đông đều và khô cứng Việc đảo bê tông thường được thực hiện bằng xe đảo bê tông với cường độ đều, chỉ đưa ra ngoài khi cần sử dụng Trong quá trình thi công, người sử dụng cần đầm mạnh để nén chặt bê tông, ngăn không khí lọt vào, tránh tình trạng không đồng đều và nứt nẻ sau này.
Bê tông thừa cần được bảo quản bằng cách đảo liên tục trong máy trộn hoặc được phủ nước để tránh ánh nắng mặt trời, nhằm ngăn chặn tình trạng bay hơi và đông cứng, khiến bê tông tươi (bê tông thương phẩm) không còn sử dụng được.
Bê tông sau khi đổ và đóng coffa cần được che đậy để tránh ánh nắng gay gắt, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao (> 30 độ C), vì điều này có thể gây nứt rẽ và phủ trắng bề mặt bê tông Đồng thời, cần đảm bảo khung cốt pha chắc chắn để tránh tình trạng bê tông nặng làm gãy khung.
Bảo dưỡng bê tông là quá trình cung cấp nước đầy đủ cho sự thuỷ hoá của xi măng, giúp bê tông đông kết và hoá cứng Trong điều kiện bình thường, sau khi đổ bê tông 4 giờ, nếu trời nắng, cần che phủ bề mặt để tránh hiện tượng "trắng bề mặt", điều này ảnh hưởng đến cường độ Khi nhiệt độ từ 15°C trở lên, trong 7 ngày đầu, cần tưới nước thường xuyên để giữ ẩm, khoảng 3 giờ tưới 1 lần và ít nhất 2 lần vào ban đêm Những ngày sau, mỗi ngày tưới 3 lần.
Tưới nước cho bê tông cần sử dụng phương pháp phun mưa nhân tạo, tránh tưới trực tiếp lên bề mặt bê tông mới đông kết Nước dùng cho quá trình bảo dưỡng phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật tương tự như nước dùng để trộn bê tông Trong suốt quá trình bảo dưỡng, cần đảm bảo bê tông không bị khô trắng bề mặt.
Bảo dưỡng bê tông giai đoạn đầu cần được thực hiện ngay sau khi bề mặt bê tông đạt độ cứng cần thiết và không bị vỡ Quá trình bảo dưỡng này phải được tiến hành liên tục để đảm bảo chất lượng và độ bền của bê tông.
Bề mặt bê tông cần được duy trì độ ẩm bằng cách tưới nước thường xuyên hoặc sử dụng vật liệu giữ nước để đảm bảo bê tông luôn trong trạng thái ẩm ướt.
Coffa chỉ được tháo dỡ khi cường độ bê tông đạt yêu cầu theo quy phạm thi công và nghiệm thu Trong quá trình tháo coffa, cần tránh gây chấn động và rung lắc ảnh hưởng đến kết cấu bê tông Ngay sau khi tháo coffa, cần kiểm tra và sửa chữa tất cả các khuyết tật như vỡ, nứt, nẻ.
Khi thời tiết nắng và khô, cần bảo dưỡng bê tông ngay sau khi bề mặt se lại để ngăn ngừa rạn nứt Nếu nắng quá gắt, hãy sử dụng vải bố tẩm nước hoặc nylon để phủ lên bề mặt, giúp giảm thiểu hiện tượng bốc hơi nước nhanh chóng Trong trường hợp có mưa, cần tạm dừng và che phủ toàn bộ phần bê tông đã đổ.
Bê tông được giữ ẩm trong suốt thời gian bảo dưỡng, chống va động để quá trình đóng rắn được đảm bảo
Đối với bê tông móng và các phần ngầm, cần tưới nước thường xuyên cho đến khi lấp đất Sau khi lấp đất, cần duy trì một lượng nước vừa đủ để bảo dưỡng tiếp.
- Công tác bảo dưỡng bê tông được tiến hành liên tục trong 03 ngày kể từ ngày đổ, với các cấu kiện đúc sẵn thì thời gian này là 02 ngày
- Bê tông dầm sàn phải được tưới nước thường xuyên trong quá trình bảo dưỡng
Trong quá trình bảo dưỡng bê tông, cần tránh đặt các tải trọng nặng như máy móc thi công lên bề mặt bê tông mới đổ Để đảm bảo an toàn, nên thiết lập rào cản hoặc biển báo nhằm ngăn chặn việc chất tải trọng lên phần bê tông này.
Các khối bê tông lớn trong các công trình quy mô lớn cần có biện pháp tản nhiệt hiệu quả trong quá trình ninh kết Một trong những phương pháp được sử dụng là lắp đặt ống thông hơi để giảm nhiệt độ bên trong khối bê tông.
Việc sử dụng cát tự nhiên hạt to để sản xuất BTXM cho đường ô tô đang gặp khó khăn do nguồn cung ngày càng khan hiếm Thay vào đó, việc sử dụng đá mi từ đá để thay thế một phần hoặc hoàn toàn cát tự nhiên là một giải pháp hợp lý, đặc biệt tại tỉnh Lâm Đồng, nơi có nền kinh tế nông nghiệp và du lịch phát triển Tuy nhiên, đá mi ở huyện Đơn Dương và các khu vực lân cận thường không đạt tiêu chuẩn về thành phần hạt Do đó, nghiên cứu giải pháp sử dụng đá mi thay cho cát trong sản xuất BTXM cho xây dựng đường ô tô là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cũng như khoa học cao.