Nghiên cứu tác động và giải pháp bước đầu hạn chế ảnh hưởng đến mặt đường ô tô do biến đổi khí hậu, nước biển dâng ở thành phố đà nẵng

Tác động của nước biển đối với độ bền của vật liệu bê tông nhựa.... Thí nghiệm xác định cường độ nén của các loại bê tông xi măng theo thời gian ngâm trong nước biển .... Cường độ nén củ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN VĂN TƯƠI

NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG VÀ GIẢI PHÁP BƯỚC ĐẦU HẠN CH ẢNH HƯỞNG Đ N MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

O I N Đ I H HẬU NƯỚC I N NG

Ở THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG

LUẬN ÁN TI N SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN VĂN TƯƠI

NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG VÀ GIẢI PHÁP BƯỚC ĐẦU HẠN CH ẢNH HƯỞNG Đ N MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

O I N Đ I H HẬU NƯỚC I N NG

Ở THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG

Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

LUẬN ÁN TI N SĨ Ỹ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1: GS.TS Phạm Huy hang 2: GS.TS ùi Xuân Cậy

HÀ NỘI - 2016

LỜI CẢ ƠN

Luận án thực hiện tại Bộ môn Đường bộ, Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông vận tải dưới sự hướng dẫn tận tình của GS.TS Phạm Huy Khang và GS.TS Bùi Xuân Cậy

Ngh ên cứu s nh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Phạm Huy Khang

và GS.TS Bùi Xuân Cậy đã tận tình hướng dẫn khoa học trong suốt quá trình thực hiện Luận án

Ngh ên cứu s nh x n chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học, Khoa Công trình, các thầy cô giáo trong Bộ môn Đường bộ - Trường Đại học Giao thông vận tải đã giúp đỡ và tạo điều kiện để hoàn thành Luận án

Ngh ên cứu s nh cũng xin trân trọng cảm ơn Trường Cao đẳng Giao thông vận tải II, Phòng Thí nghiệm & Kiểm định - Trung tâm Kỹ thuật Đường bộ 3, Phòng thí nghiệm - Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Phòng thí ngh ệm Vật l ệu xây dựng

- Trường Đạ học G ao thông vận tả , Trung tâm kỹ thuật t êu chuẩn đo lường chất

lư ng 2, đã tạo đ ều k ện g úp đỡ ngh ên cứu s nh thực hiện các thí nghiệm

Ngh ên cứu s nh x n chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoà nước

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NA

Ngh n cứu s nh

Nguyễn Văn Tươi

ỤC LỤC

LỜI CẢ ƠN i

LỜI CA ĐOAN ii

ỤC LỤC iii

ANH ỤC CÁC ẢNG viii

ANH ỤC CÁC HÌNH xi

ANH ỤC CÁC Ý HIỆU CÁC CHỮ VI T TẮT xiv

Ở ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: T NG QUAN V CÁC TÁC ĐỘNG I N Đ I H HẬU NƯỚC I N NG ĐỐI VỚI ẶT ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ N CỦA Ê TÔNG LÀ ẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 3

1.1 CÁC BIỂU HIỆN VÀ XU THẾ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, NƯỚC BIỂN DÂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 3

1.1.1 Khái niệm về biến đổi khí hậu 3

1.1.2 Biểu hiện của biến đổi khí hậu, nước biển dâng trên thế giới 3

1.1.3 Biểu hiện của biến đổi khí hậu, nước biển dâng ở Việt Nam 5

1.1.3.1 Biểu hiện của biến đổi khí hậu, nước biển dâng ở Việt Nam 5

1.1.3.2 Nhận định xu thế biến đổi khí hậu ở Việt Nam 6

1.1.4 Biểu hiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng ở thành phố Đà Nẵng 7

1.1.4.1 Vị trí địa l của thành phố Đà Nẵng 7

1.1.4.2 Biểu hiện biến đổi khí hậu ở thành phố Đà Nẵng 7

1.2 TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐỐI VỚI MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 10

1.2.1 Các tổn thương của mặt đường bê tông nhựa do biến đổi khí hậu 10

1.2.1.1 Ảnh hưởng của khí hậu đối với vật liệu bê tông nhựa 10

1.2.1.2 Tác động của khí hậu đối với kết cấu mặt đường mềm 12

1.2.1.3 Tác động của nước biển đối với độ bền của vật liệu bê tông nhựa 14

1.2.2 Các tổn thương của mặt đường bê tông xi măng do biến đổi khí hậu 17

1.2.2.1 Nhiệt độ cao 17

1.2.2.2 Các chất c hại xâm nhập vào mặt đường bê tông 17

1.3 CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG VÀ KẾT CẤU BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG MÔI TRƯỜNG XÂM THỰC

TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 18

1.3.1 Khái niệm về độ bền của bê tông xi măng 18

1.3.2 Các biện pháp cải thiện độ bền của bê tông và kết cấu bê tông trong môi trường xâm thực 19

1.3.2.1 Giới thiệu các biện pháp cải thiện độ bền của bê tông và kết cấu bê tông trong môi trường xâm thực 19

1.3.2.2 Biện pháp cải thiện độ bền của bê tông xi măng và kết cấu bê tông xi măng trong môi trường xâm thực bằng lựa chọn thành phần vật liệu tối ưu 19

1.4 XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 27

1.5 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

1.5.1 Nội dung nghiên cứu 28

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 28

1.5.3 Kế hoạch và nội dung thí nghiệm 28

1.5.3.1 Đối với vật liệu BTN 28

1.5.3.2 Đối với vật liệu BTXM 29

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 29

CHƯƠNG 2 THI T VÀ LỰA CHỌN THÀNH PHẦN Ê TÔNG XI ĂNG TỐI ƯU VỚI PHỤ GIA PUZƠLAN QUẢNG NGÃI THI T

THÀNH PHẦN Ê TÔNG NHỰA 31

2.1 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG XI MĂNG VỚI PH GIA PUZƠLAN QUẢNG NG I 31

2.1.1 Vật liệu sử dụng chế tạo bê tông xi măng 31

2.1.1.1 Xi măng 31

2.1.1.2 Phụ gia khoáng Puzơlan 32

2.1.1.3 Cốt liệu lớn (đá dăm) 36

2.1.1.4 Cốt liệu nhỏ (cát) 38

2.1.1.5 Phụ gia h a d o 39

2.1.2 Thiết kế thành phần cấp phối bê tông xi măng 40

2.1.2.1 Yêu cầu đối với bê tông xi măng trong xây dựng mặt đường ô tô 40

2.1.2.2 Thiết kế thành phần bê tông xi măng 41

2.1.2.3 Công tác đúc và bảo dưỡng các mẫu bê tông xi măng 48

2.1.2.4 Thí nghiệm xác định cường độ nén và kéo uốn 49

2.1.2.5 Xác định cường độ nén và kéo uốn đặc trưng của bê tông xi măng 50

2.1.2.6 Đối chiếu với các yêu cầu của bê tông dùng trong xây dựng mặt đường ô tô 57

2.2 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG NHỰA 58

2.2.1 Vật liệu chế tạo 58

2.2.2 Thiết kế thành phần BTNC12.5 và BTNC19 59

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 63

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆ XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU ĐỘ N CỦA Ê TÔNG TRONG ÔI TRƯỜNG NƯỚC I N 64

3.1 XÁC ĐỊNH CHỈ TIÊU ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG S D NG PH GIA PUZƠLAN QUẢNG NG I 64

3.1.1 Đặt vấn đề 64

3.1.2 Thí nghiệm xác định độ bền của bê tông ngâm trong nước biển 65

3.1.2.1 Quan sát bề mặt mẫu bằng mắt thường 67

3.1.2.2 Thí nghiệm xác định cường độ nén của các loại bê tông xi măng theo thời gian ngâm trong nước biển 71

3.1.2.3 Thí nghiệm phân tích nhiệt trọng lư ng 76

3.1.2.4 Thí nghiệm phân tích vi cấu trúc SEM (Scanning Electron Microscopy) 80

3.1.2.5 Thí nghiệm độ thấm nước 82

3.1.2.6 Thí nghiệm độ thấm ion clo của các loại bê tông 86

3.1.2.7 Thí nghiệm xác định độ giãn nở của các loại bê tông xi măng 88

3.2 NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN CỦA BÊ TÔNG NHỰA 96

3.2.1 Phương pháp, nội dung nghiên cứu 96

3.2.2 Kết quả nghiên cứu 98

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 100

CHƯƠNG 4: Đ XUẤT VÀ T NH TOÁN ỘT SỐ T CẤU ẶT ĐƯỜNG Ê TÔNG XI ĂNG S ỤNG PHỤ GIA PUZƠLAN HU

VỰC THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 101

4.1 TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG BTXM 101

4.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN, TIÊU CHUẨN TRẠNG THÁI GIỚI HẠN 102

4.2.1 Mô hình tính toán 102

4.2.2 Các trạng thái giới hạn tính toán 102

4.2.3 Xác định cường độ kéo uốn thiết kế yêu cầu của tấm BTXM và lớp móng 103

4.2.4 Hệ số độ tin cậy r 104

4.2.5 Vị trí tấm BTXM dễ bị phá hoại mặc định 105

4.2.6 Tải trọng trục tiêu chuẩn để tính mỏi và quy đổi về trục tiêu chuẩn 105

4.2.7 Tải trọng trục đơn nặng nhất thiết kế Pm 105

4.2.8 Trị số gradien nhiệt độ lớn nhất Tg 105

4.3 TÍNH TOÁN TẤM BTXM KHI LỚP MÓNG TRÊN BẰNG VẬT LIỆU HẠT GIA CỐ 106

4.3.1 Tính trị số pr 106

4.3.2 Tính trị số ps 107

4.3.3 Tính trị sốbpr 108

4.3.4 Ứng suất kéo uốn do tải trọng nặng nhất thiết kế Pm gây ra trong tấm BTXM 108

4.3.5 Ứng suất kéo uốn do gradien nhiệt độ gây mỏi tr 109

4.3.6 Tính hệ số ứng suất uốn vồng CL 110

4.4 ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CẤU TẠO KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG BTXM 111

4.4.1 Đường c quy mô giao thông thiết kế cấp trung bình (Đường cấp IV) 111

4.4.1.1 Thu thập số liệu đầu vào 111

4.4.1.2 Đề xuất các phương án cấu tạo kết cấu áo đường 111

4.4.2 Đường c quy mô giao thông thiết kế cấp nặng (Đường cấp III) 112

4.4.2.1 Thu thập số liệu đầu vào 112

4.4.2.2 Đề xuất các phương án cấu tạo kết cấu áo đường 113

4.5 KIỂM TOÁN CÁC PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG DO TẢI

TRỌNG XE CHẠY VÀ GRADIEN NHIỆT ĐỘ GÂY RA 114

4.5.1 Đường c quy mô giao thông thiết kế cấp trung bình (Đường cấp IV) 114

4.5.2 Đường c quy mô giao thông thiết kế cấp nặng (Đường cấp III) 118

4.6 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 122

4.6.1 Phân tích kết quả tính toán các kết cấu mặt đường 122

4.6.2 Phân tích hiệu quả kinh tế của các loại bê tông xi măng 124

4.7 XÁC ĐỊNH CHIỀU DÀY TỐI THIỂU CỦA LỚP BÊ TÔNG BẢO VỆ ĐẢM BẢO TUỔI THỌ S D NG YÊU CẦU CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM 125

4.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 131

T LUẬN VÀ I N NGHỊ 132 ANH ỤC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH a TÀI LIỆU THA HẢO b

ANH ỤC CÁC ẢNG

Bảng 1.1 Mực nước biển dâng (cm) so với thời kỳ 1980-1999 6

Bảng 1.2 Kịch bản nước biển dâng 6

Bảng 1.3 Hàm lư ng nhựa đường tối ưu của các loại hỗn h p 15

Bảng 1.4 Độ ổn định và độ d o Marshall của các mẫu BTN 16

Bảng 1.5 Hệ số khuếch tán ion clo của các loại bê tông 23

Bảng 1.6 Kế hoạch và nội dung thí nghiệm với vật liệu BTN 28

Bảng 1.7 Kế hoạch và nội dung thí nghiệm với vật liệu BTXM 29

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu chất lư ng của xi măng PC 40 31

Bảng 2.2 Các khu đề xuất thăm dò phụ gia khoáng puzơlan ở Quảng Ngãi 34

Bảng 2.3 Chỉ số hoạt tính của puzơlan núi Đầu Voi 35

Bảng 2.4 Yêu cầu kỹ thuật và kết quả thí nghiệm của Puzơlan núi Đầu Voi 35

Bảng 2.5 Chỉ tiêu cơ lí yêu cầu của cốt liệu thô để xây dựng mặt đường BTXM 37

Bảng 2.6 Các chỉ tiêu cơ lí của đá dăm Dmax = 19 mm mỏ đá Hốc Khế 37

Bảng 2.7 Thành phần hạt đá dăm Hốc Khế - Đà Nẵng 38

Bảng 2.8 Các chỉ tiêu cơ lí của cát Túy Loan - Đà Nẵng 39

Bảng 2.9 Thành phần hạt của cát vàng Túy Loan - Đà Nẵng 39

Bảng 2.10 Thông số kỹ thuật của phụ gia Lotus R201 40

Bảng 2.11 Các chỉ tiêu cơ l của BTXM và độ sụt của hỗn h p BTXM [4] 41

Bảng 2.12 Độ sụt của hỗn h p bê tông xi măng theo loại kết cấu 41

Bảng 2.13 Lư ng nước trộn và hàm lư ng không khí của BTXM tươi 42

Bảng 2.14 Mối quan hệ giữa tỉ lệ N/CKD và cường độ nén 42

Bảng 2.15 Thể tích của đá dăm đã đầm chặt trên một đơn vị thể tích BTXM 43

Bảng 2.16 Thành phần vật liệu cho 1m3 bê tông xi măng 48

Bảng 2.17 Kế hoạch thí nghiệm các đặc trưng cường độ của BTXM 48

Bảng 2.18 Hệ số (kn) cho giá trị đặc trưng 5% 51

Bảng 2.19 Cường độ nén đặc trưng của các loại bê tông xi măng 51

Bảng 2.20 Cường độ kéo uốn đặc trưng của các loại bê tông xi măng 52

Bảng 2.21 Tỉ số Rđt/Rđt28, Rđt/Rđt100PC-0PZ của các loại bê tông xi măng 54

Bảng 2.22 So sánh với cường độ kéo uốn yêu cầu của BTXM dùng để xây dựng mặt đường ô tô [4] 58

Bảng 2.23 Kết quả thí nghiệm tính chất cơ l của đá dăm 59

Bảng 2.24 Thí nghiệm tính chất cơ l của cát 60

Bảng 2.25 Tính năng cơ l của bột khoáng 60

Bảng 2.26 Các tính chất của Nhựa đường 60/70 Petrolimex 60

Bảng 2.27 Kết quả phân tích thành phần hạt của từng cốt liệu thành phần 61

Bảng 2.28 Tổng h p kết quả thiết kế hỗn h p BTNC 12,5 62

Bảng 2.29 Tổng h p kết quả thiết kế hỗn h p BTNC 19 62

Bảng 3.1 Một số chỉ tiêu và thành phần h a học của xi măng RSC40 65

Bảng 3.2 Kế hoạch thí nghiệm các chỉ tiêu cường độ 66

Bảng 3.3 Thành phần các ion chính c trong nước biển 67

Bảng 3.4 Cường độ nén của các mẫu BTXM 71

Bảng 3.5 Hệ số thấm và tỉ số K100PC-0PZ /K của các loại bê tông 85

Bảng 3.6 Đánh giá mức độ thấm ion clo của bê tông 86

Bảng 3.7 Độ thấm ion clo của các loại bê tông ở 28 và 180 ngày 87

Bảng 3.8 Độ g ãn nở các mẫu bê tông x măng trong dung dịch 5% Na2SO4 90

Bảng 3.9 Độ g ãn nở của các mẫu bê tông x măng trong nước b ển 91

Bảng 3.10 Tỉ số độ g ãn nở của các loạ bê tông x măng so vớ mẫu đố chứng trong dung dịch 5% natr sunphat 92

Bảng 3.11 Tỉ số độ g ãn nở của các loạ bê tông x măng so vớ mẫu đố chứng trong nước b ển 92

Bảng 3.12 Kế hoạch thí nghiệm độ ổn định, độ d o Marshall 97

Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm BTNC19 98

Bảng 3.14 Kết quả thí nghiệm BTNC12.5 99

Bảng 4.1 Chiều dày tấm BTXM thông thường theo cấp hạng đường 101

Bảng 4.2 Phân cấp quy mô giao thông 102

Bảng 4.3 Chọn loại lớp m ng trên tùy thuộc quy mô giao thông 104

Bảng 4.4 Chọn độ tin cậy và hệ số độ tin cậy thiết kế r 104

Bảng 4.5 Hệ số giãn nở nhiệt c của BTXM 109

Bảng 4.6 Mô đun đàn hồi của các loại bê tông [5] 111

Bảng 4.7 Các thông số cơ học của các loại bê tông 112

Bảng 4.8 Kết quả tính toán mặt đường BTXM có quy mô giao thông cấp trung bình (Đường cấp IV) 114

Bảng 4.9 Kết quả tính toán mặt đường BTXM c quy mô giao thông nặng (Đường cấp III) 118

Bảng 4.10 Phân tích kết quả tính toán của các phương án kết cấu áo đường 122

Bảng 4.11 Giá thành vật liệu cho 1 m3 bê tông xi măng 124

Bảng 4.12 Giá thành vật liệu cho 1 km mặt đường bê tông xi măng 125

Bảng 4.13 Hệ số khuếch tán D28 của các loại bê tông 126

Bảng 4.14 Ch ều dày tố th ểu của lớp bê tông bảo vệ vớ các đ ều k ện t ếp xúc vớ đ ều k ện b ển khác nhau 127

Bảng 4.15 Tuổi thọ của mặt đường BTXM với các điều kiện biển khác nhau 129

ANH ỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Biến động mực nước biển trung bình toàn cầu 4

Hình 1.2 Xu thế biến động mực nước biển trung bình toàn cầu 4

Hình 1.3 Bãi biển ở Miami (Mỹ) nằm trong số rất nhiều những khu vực khác trên thế giới đang bị đe dọa bởi nước biển dâng ngày càng cao 4

Hình 1.4 Diễn biến mực nước biển theo số liệu vệ tinh thời kỳ 1993 - 2010 (Nguồn: IMHEN/2010) 5

Hình 1.5 So sánh mực nước biển từ số liệu tại trạm hải văn và vệ tinh 5

Hình 1.6 Vị trí địa l của thành phố Đà Nẵng 7

Hình 1.7 Bão XangSane (2006) 8

Hình 1.8 Bản đồ nền (trên, trái) và ngập lụt ở Đà Nẵng do lũ kết h p với mực nước biển dâng 0,3m (trên, phải), 0,5m (dưới, trái) và 1m (dưới, phải) 9

Hình 1.9 Bản đồ nguy cơ ngập khu vực thành phố Đà Nẵng ứng với kịch bản nước biển dâng 1m 9

Hình 1.10 Hư hỏng do bong tách lấy từ hố thử nghiệm 11

Hình 1.11 Lún phi kết cấu 13

Hình 1.12 Sự thay đổi ứng xử của BTN theo hàm lư ng muối 15

Hình 1.13 Suy giảm độ bền theo thời gian của bê tông 18

Hình 1.14 Tốc độ hấp thụ nước của các loại bê tông 20

Hình 1.15 Độ thấm ion clo của các loại bê tông 21

Hình 1.16 Tăng hoặc giảm cường độ của bê tông với tỉ lệ VSC khác nhau 22

Hình 1.17 Hàm lư ng clo theo chiều sâu của bê tông tính từ bề mặt trong điều kiện bảo dưỡng ngập hoàn toàn trong nước biển 22

Hình 1.18 Tăng hoặc giảm cường độ của bê tông với tỉ lệ VSC khác nhau 22

Hình 1.19 Hàm lư ng clo theo chiều sâu của bê tông tính từ bề mặt trong điều kiện bảo dưỡng ngập hoàn toàn trong nước biển 23

Hình 1.20 Cường độ nén của các loại bê tông 24

Hình 1.21 Độ thấm ion clo của các loại bê tông 24

Hình 1.22 Chiều sâu cacbonat h a của các loại bê tông 24

Hình 2.1 Nguyên liệu sản xuất và puzơlan thương mại núi Đầu Voi 35

Hình 2.2 Đúc mẫu và thí nghiệm cường độ nén và kéo uốn các mẫu BTXM 50

Hình 2.3 Biểu đồ phát triển cường độ nén của của bê tông xi măng 55

Hình 2.4 Biểu đồ phát triển cường độ kéo uốn của bê tông xi măng 55

Hình 2.5 Cường độ nén của bê tông xi măng theo tỉ lệ thay thế Puzơlan 55

Hình 2.6 Cường độ kéo uốn của bê tông xi măng theo tỉ lệ thay thế Puzơlan 56

Hình 2.7 Quan hệ giữa cường độ kéo uốn và nén của các loại BTXM 56

Hình 2.8 Đường cấp phối của các loại bê tông nhựa nghiên cứu 61

Hình 3.1 Kế hoạch thí nghiệm độ bền của bê tông ngâm trong nước biển 65

Hình 3.2 Ngâm mẫu bê tông trong nước biển 67

Hình 3.3 Bề mặt mẫu 100PC-0PZ-SW theo thời gian ngâm trong nước biển 68

Hình 3.4 Bề mặt mẫu 100RSC-SW theo thời gian ngâm trong nước biển 68

Hình 3.5 Bề mặt mẫu 85PC-15PZ-SW theo các thời gian ngâm trong nước biển 69

Hình 3.6 Bề mặt các mẫu trước khi ngâm trong nước biển 69

Hình 3.7 Bề mặt các mẫu sau khi ngâm 3 tháng trong nước biển 69

Hình 3.8 Bề mặt các mẫu sau khi ngâm 6 tháng trong nước biển 70

Hình 3.9 Bề mặt các mẫu sau khi ngâm 9 tháng trong nước biển 70

Hình 3.10 Bề mặt các mẫu sau khi ngâm 12 tháng trong nước biển 70

Hình 3.11 Cường độ nén của các loại bê tông xi măng theo thời gian ngâm trong nước thường và nước biển 74

Hình 3.12 Cường độ nén của các loại bê tông sau 1 năm ngâm trong nước thường và nước biển 75

Hình 3.13 Phân tích ANOVA-Tukey cường độ nén sau 1 năm 75

Hình 3.14 Đồ thị phân tích nhiệt trọng lư ng TGA 78

Hình 3.15 Mối tương quan giữa đồ thị TGA và DTG 78

Hình 3.16 Kết quả phân tích nhiệt trọng lư ng ở thời điểm 360 ngày 79

Hình 3.17 Kết quả chụp ảnh SEM ở thời điểm 360 ngày mẫu ngâm trong nước thường và nước biển 81

Hình 3.18 Thí nghiệm độ thấm nước của các mẫu bê tông 83

Hình 3.19 Đường cong thấm nước của các mẫu bê tông sau một năm ngâm trong nước biển 84

Hình 3.20 Hệ số thấm của các loại bê tông sau 1 năm ngâm trong nước biển 85

Hình 3.21 Độ thấm ion clo của các loại bê tông ở 28 và 180 ngày 87

Hình 3.22 Thí nghiệm đo độ giãn nở của các mẫu bê tông xi măng 89

Hình 3.23 Độ g ãn nở của các loạ bê tông x măng trong dung dịch 5% Na2SO4 92

Hình 3.24 Độ giãn nở của các loại bê tông xi măng trong nước biển 93

Hình 3.25 T số độ g ãn nở của các loạ bê tông so vớ mẫu 100PC-0PZ trong dung dịch 5% Na2SO4 93

Hình 3.26 T số g ãn nở của các loạ bê tông so vớ mẫu 100PC-0PZ 93

Hình 3.27 Nội dung nghiên cứu ảnh hưởng của nước biển đến BTN 96

Hình 3.28 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 97

Hình 3.29 Thí nghiệm Marshall 97

Hình 3.30 Phân tích kết quả thí nghiệm Marshall của mẫu BTNC12.5 và BTNC19 ngâm trong nước biển theo thời gian 99

Hình 4.1 Các phương án cấu tạo kết cấu áo đường c quy mô giao thông thiết kế thuộc cấp trung bình (Đường cấp IV) 112

Hình 4.2 Các phương án cấu tạo kết cấu áo đường c quy mô giao thông thiết kế thuộc cấp nặng (Đường cấp III) 113

Hình 4.3 Tỉ sốRmaxkuBT/RtkkuBTcủa các tấm bê tông trong KCAĐ 123

Hình 4.4 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ của tấm BTXM đảm bảo tuổi thọ sử dụng của mặt đường BTXM (Đường cấp III theo Quyết định 3230/QĐ-BGTVT) 128

Hình 4.5 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ của tấm BTXM đảm bảo tuổi thọ sử dụng của mặt đường BTXM (Đường cấp IV theo Quyết định 3230/QĐ-BGTVT) 128

Hình 4.6 Quan hệ giữa tuổi thọ mặt đường BTXM và chiều dày lớp bê tông bảo vệ ở vùng khí quyển biển 129

Hình 4.7 Quan hệ giữa tuổi thọ mặt đường BTXM và chiều dày lớp bê tông bảo vệ ở vùng thủy triều 130

BTN Bê tông nhựa

BTNC Bê tông nhựa chặt

BTXM Bê tông xi măng

C Cát vàng

CS Nồng độ clo bề mặt bê tông

CCR Nồng độ clo tới hạn gây ăn mòn cốt thép

CKD Chất kết dính

D28 Hệ số khuyếch tán ion clo ở 28 ngày

đổi khối lư ng

IMHEN Institute of Meteorology, Hydrology and Environment (Viện khí

tư ng thủy văn và môi trường)

biến đổi khí hậu)

NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration (Cục quản l đại

dương và khí quyển quốc gia Mỹ)

N/CKD Tỉ lệ nước-chất kết dính

N/X Tỉ lệ nước-xi măng

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TB Tro bay

tkđ Tuổi thọ (Thời gian khởi đầu ăn mòn cốt thép)

TGA (Thermo Gravimetric Analysis ) Phân tích nhiệt trọng lƣ ng

X, XM Xi măng

x Chiều dày lớp bê tông bảo vệ

XLC Xỉ lò cao

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Biến đổi khí hậu, nước biển dâng là vấn đề thách thức đối với Việt Nam n i chung, khu vực miền Trung và thành phố Đà Nẵng n i riêng Biến đổi khí hậu, nước biển dâng thực sự đã, đang và s ngày càng ảnh hưởng nghiêm trọng đến công trình hạ tầng giao thông n i chung và kết cấu mặt đường ô tô n i riêng

Việt Nam là một trong 5 nước đư c dự báo s chịu nhiều ảnh hưởng nhất của biến đổi khí hậu trên toàn cầu Theo [2], trong khoảng 50 năm qua, tại Việt Nam,

Theo các kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam, đến cuối thế k

21, trên 4% hệ thống đường sắt, trên 9% hệ thống quốc lộ và khoảng 12% hệ thống tỉnh lộ của Việt Nam s bị ảnh hưởng Như vậy, với mức biến đổi khí hậu như kịch bản nêu trên, công trình giao thông s chịu ảnh hưởng khá nặng nề, đặc biệt là hệ thống đường ô tô ven biển với chiều dài bờ biển của Việt Nam gần 3200 km

Kết cấu mặt đường ô tô hiện nay sử dụng bê tông xi măng và bê tông nhựa là hai vật liệu chính để xây dựng Việc sử dụng vật liệu địa phương để làm giảm chi phí xây dựng là xu hướng của thế giới và của Việt Nam Kết cấu mặt đường ô tô đáp ứng đư c yêu cầu phát triển bền vững trong xây dựng cơ sở hạ tầng giao thông vận tải, là kết cấu mặt đường ô tô đủ độ bền theo yêu cầu thiết kế, đạt chỉ tiêu về khai thác trong thời gian dự kiến và hơn nữa là quan tâm tới mặt đường để cải thiện

về độ bền

Do vậy, đề tài “Nghiên cứu tác động và gi i há c đ u h n ch nh

h ng đ n t đ ng t i n đ i h h u n c i n ng thành h à ng” là cấp thiết và c tính thời sự

2 c đích nghi n cứu

- Thiết kế thành phần bê tông xi măng c sử dụng phụ gia puzơlan tự nhiên,

thiết kế thành phần BTN và thực nghiệm đánh giá độ d o, độ ổn định Marshall của BTNC12.5 và BTNC19 trong nước biển

- Xác định t lệ h p l thay thế x măng bằng Puzơlan Quảng Ngã

- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá các đặc trưng cường độ và các chỉ tiêu

như: Độ chống thấm nước, phân tích vi cấu trúc SEM, phân tích nhiệt trọng lư ng,

độ chống thấm ion, độ giãn nở và quan sát bề mặt mẫu của các loại BTXM

- Đề xuất và tính toán các kết cấu mặt đường BTXM sử dụng phụ gia puzơlan

tự nhiên

- Tính toán chiều dày lớp bê tông bảo vệ để đảm bảo tuổi thọ thiết kế của mặt

đường do xâm nhập ion clo ở các điều kiện môi trường biển

3 Đối tư ng và phạm vi nghi n cứu

- Xác định t lệ h p l thay thế xi măng bằng Puzơlan Quảng Ngãi

- Nghiên cứu độ bền của BTN, BTXM trong môi trường biển ở thành phố

Đà Nẵng

4 Ý ngh a hoa học và thực tiễn của đề tài

- Thành phố Đà Nẵng là một trong những địa phương chịu ảnh hưởng trực tiếp của các tác động biến đổi khí hậu như: Sự gia tăng nhiệt độ, xâm nhập mặn, bão, Đây là các yếu tố chủ yếu gây tổn thương và suy giảm cường độ, độ bền và tuổi thọ khai thác của các công trình giao thông n i chung và kết cấu mặt đường n i riêng

- Luận án đã đánh giá đư c ảnh hưởng c hại của nước biển đến độ ổn định và

độ d o Marshall của vật liệu BTN, ảnh hưởng c l i của puzơlan tự nhiên núi Đầu Voi đến độ bền sun phát, độ chống thấm nước và độ chống thấm ion clo của bê tông Từ đ , làm sáng tỏ các cơ chế l - h a của puzơlan tự nhiên làm tăng độ bền BTXM và ứng dụng loại bê tông này để xây dựng mặt đường BTXM trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng ở khu vực thành phố Đà Nẵng

- Luận án cung cấp tổng quan, đề xuất một loại BTXM mới sử dụng phụ gia puzơlan tự nhiên núi Đầu Voi - Quảng Ngãi để xây dựng mặt đường BTXM trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng ở thành phố Đà Nẵng, là tài liệu tham khảo cho những nhà nghiên cứu về độ bền của bê tông ở môi trường biển

cấp thiết, c tính thời sự, c nghĩa khoa học và thực tiễn

CHƯƠNG 1

T NG QUAN V CÁC TÁC ĐỘNG I N Đ I H HẬU,

NƯỚC I N NG ĐỐI VỚI ẶT ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN ĐỘ N CỦA Ê TÔNG LÀ ẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 CÁC I U HIỆN VÀ XU TH I N Đ I H HẬU, NƯỚC I N DÂNG TRÊN TH GIỚI VÀ Ở VIỆT NA

1.1.1 hái niệm về biến đổi hí hậu

Biến đổi khí hậu (BĐKH) là sự biến đổi trạng thái của khí hậu so với trung bình và/hoặc dao động của khí hậu duy trì trong một khoảng thời gian dài, thường là vài thập k hoặc dài hơn Biến đổi khí hậu c thể là do các quá trình tự nhiên bên trong hoặc các tác động bên ngoài, hoặc do hoạt động của con người làm thay đổi thành phần của khí quyển hay trong khai thác sử dụng đất [18]

Biến đổi khí hậu mà trước hết là sự n ng lên toàn cầu và mực nước biển dâng,

là một trong những thách thức lớn nhất đối với nhân loại trong thế k 21 Thiên tai

và các hiện tư ng khí hậu cực đoan khác đang gia tăng ở hầu hết các nơi trên thế giới, nhiệt độ và mực nước biển trung bình toàn cầu tiếp tục tăng nhanh chưa từng

c và đang là mối lo ngại của các quốc gia trên thế giới [1]

1.1.2 iểu hiện của biến đổi hí hậu nước biển dâng tr n thế giới

Theo các nhà khoa học về biến đổi khí hậu toàn cầu và nước biển dâng cho thấy, đại dương đã n ng lên đáng kể từ cuối thập k 1950 Các nghiên cứu từ số liệu quan trắc trên toàn cầu cho thấy, mực nước biển trung bình toàn cầu trong thời

2007- Hình 1.1) Nghiên cứu cập nhật năm 2009 cho rằng, tốc độ mực nước biển trung bình toàn cầu dâng khoảng 1,8mm/năm (Chuch và White, 2009) Mực nước biển thay đổi không đồng đều trên toàn bộ đại dương thế giới; một số vùng tốc độ dâng c thể gấp một vài lần tốc độ dâng trung bình toàn cầu trong khi mực nước biển ở một số vùng khác lại c thể hạ thấp Xu thế tăng của mực nước trung bình xuất hiện hầu hết tại các trạm quan trắc trên toàn cầu Theo một số báo cáo của các nhà khoa học, trong thập k vừa qua, mực nước biển dâng nhanh nhất ở vùng phía Tây Thái Bình Dương và phía Đông Ấn Độ Dương

Số liệu đo đạc đư c tổng h p và hiệu chỉnh từ các vệ tinh (Topex/Poisedon, Jason - 1/2, ERS - 1/2, Envisat) từ tháng 10/1992 đến 12/2010 cho thấy mực nước biển đã dâng với tốc độ là 3,27mm/năm (CNES, LEGOS, CLS - Hình 1.2) Trên quy mô toàn cầu, xu thế biến đổi của mực nước biển tăng mạnh ở ven bờ Tây Thái Bình Dương c xu thế giảm ở bờ Đông Thái Bình Dương [2]

độ toàn cầu là tương đối phù h p với số liệu nhiệt độ thực đo Tuy nhiên, tính toán của IPCC về nước biển dâng là thấp so với số liệu thực đo tại các trạm và bằng vệ tinh Một số nghiên cứu gần đây cho rằng, mực nước biển toàn cầu có thể tăng 50-140 cm vào năm 2100

Hình 1.3 Bãi bi n Miami (Mỹ) nằm trong s rất nhiều những khu vực khác

trên th gi i đang ị đe ọa b i n c bi n dâng ngày càng cao

1.1.3 iểu hiện của biến đổi hí hậu nước biển dâng ở Việt Nam

1.1.3.1 Bi u hiện của i n đ i h h u n c i n ng Việt a

Ở Việt Nam, xu thế biến đổi nhiệt độ và lư ng mưa rất khác nhau, nhiệt độ

văn ven biển Việt Nam cho thấy xu thế biến đổi mực nước biển trung bình năm c

xu hướng tăng Tuy nhiên, một số ít trạm lại không thể hiện rõ xu hướng này Xu thế biến đổi trung bình của mực nước biển dọc bờ biển Việt Nam khoảng 2,8

mm/năm

Số liệu mực nước đo đạc từ năm 1993-2010 cho thấy, xu thế tăng mực nước biển trên toàn Biển Đông là 4,7mm/năm, phía Đông của Biển Đông c xu thế tăng nhanh hơn phía Tây Chỉ tính cho dải ven bờ Việt Nam, khu vực ven biển Trung Trung Bộ và Tây Nam Bộ c xu hướng tăng mạnh hơn, trung bình cho toàn dải ven biển Việt Nam tăng khoảng 2,9mm/năm (Hình 1 4)

Hình 1.4 Diễn bi n mực n c bi n

theo s liệu vệ tinh th i kỳ 1993 - 2010

(Nguồn: IMHEN/2010)

Hình 1.5 So sánh mực n c bi n từ s liệu t i tr m h i văn và vệ tinh

(Nguồn: IMHEN/2010)

Các kịch bản nước biển dâng cho Việt Nam đư c tính toán theo 3 kịch bản phát thải thấp nhất (B1), phát thải trung bình (B2) và phát thải cao nhất (A1FI) Kết quả tính toán theo các kịch bản cho thấy, vào giữa thế k 21 mực nước biển

có thể dâng thêm 28 đến 33cm và đến cuối thế k 21 mực nước biển dâng thêm

từ 65 đến 100cm so với thời kỳ 1980 -1999 (Bảng 1.1)

So với mực nước biển trung bình năm thời kỳ từ 1980÷1999 thì lư ng mưa trong thời kỳ từ 2020÷2100 s tăng thêm từ 11÷100 cm (Bảng 1.2) Năm 2020, mực nước biển ở Đà Nẵng s tăng thêm 11 cm đối với kịch bản B1, 12 cm đối với kịch bản B2 và A1F1 Năm 2050, mực nước biển s tăng thêm từ 65÷100 cm tùy theo kịch bản phát thải

Như vậy, xu thế mực nước biển cho khu vực ven biển từ số liệu thực đo tại trạm quan trắc hải văn và từ vệ tinh là gần bằng nhau Kết quả so sánh cho thấy, có

sự tương đồng cao về pha và biên độ dao động của mực nước trung bình cũng như tương quan giữa chúng (Hình 1.5) [2]

Nhận định xu thế biến đổi khí hậu ở Việt Nam như sau:

- Mực nước biển trung bình trên toàn dải bờ biển Việt Nam có thể dâng lên

100 cm vào năm 2100 [1]

1.1.4 iểu hiện biến đổi hí hậu nước biển dâng ở thành phố Đà Nẵng

1.1.4.1 Vị tr địa lý của thành h à ng

phía Nam giáp tỉnh Quảng Nam, phía Tây giáp tỉnh Thừa Thiên Huế và tỉnh Quảng Nam, phía Bắc giáp tỉnh Thừa Thiên Huế Đà Nẵng cách Thủ đô Hà Nội 764 km về phía Bắc và cách thành phố Hồ Chí Minh 964 km về phía Nam

Với vị trí địa l thuận l i, Đà Nẵng là trung tâm chính trị, kinh tế, văn hoá - xã hội, khoa học công nghệ của miền Trung và Tây Nguyên

Ở khu vực Đông Nam Á, Đà Nẵng là một trong các thành phố có vị trí chiến

lư c về kinh tế, chính trị và xã hội Khoảng cách từ Đà Nẵng đến các trung tâm kinh tế chính của khu vực như Bangkok (Thái Lan), Kuala Lumpur (Malaysia), Singapore (Singapore), Manila (Philipines) và nhiều thành phố khác từ 1.000 ÷ 2.000 km Nếu mở các tuyến bay trực tiếp từ Đà Nẵng đi đến một trong các trung

Ngoài ra, Đà Nẵng đóng vai trò quan trọng trong khu vực tiểu vùng sông Mê Kông mở rộng, do Đà Nẵng là cửa ra phía Biển Đông của hành lang kinh tế Đông - Tây nối từ Mianma, Đông Bắc Thái Lan qua Lào đến Việt Nam

Hình 1.6 Vị tr địa lý của thành ph à ng 1.1.4.2 Bi u hiện i n đ i h h u thành h à ng

Chỉ trong thời gian 2005 - 2010, trên địa bàn thành phố Đà Nẵng đã c 8 cơn bão đổ bộ hoặc ảnh hưởng trực tiếp đến Thành phố, phần lớn các cơn bão này c

cấp độ gi giật mạnh trên cấp 11 trong khi trước thời điểm năm 1998, mỗi năm trung bình chỉ c 1 cơn bão c cấp độ gi trên cấp 11 Trong những năm vừa qua, bão xuất hiện sớm, trái mùa và bất thường hơn, tần suất xuất hiện các cơn bão tăng

đáng kể Các khu vực ven sông, ven biển thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão

Năm 2006, Bão số 6 (Xangsane, Hình 1.7) đổ bộ trực tiếp vào thành phố Đà Nẵng với sức gi cấp 12, giật trên cấp 13, cấp 14 làm cho 33 người chết, 289 người

bị thương, 14.138 ngôi nhà bị sập hoàn toàn, cơ sở hạ tầng bị thiệt hại nặng nề, tổng thiệt hại kinh tế lên đến 5.290 t đồng

Hình 1.7 B XangSane (2006)

Năm 2009: Bão số 9 (Ketsana) với sức gi cấp 12,13, giật cấp 14, 15 đi gần sát bờ biển Đà Nẵng kèm theo mưa to làm hư hại nhiều nhà cửa, hoa màu, cơ sở hạ tầng kỹ thuật, thiệt hại lên đến 500 t đồng

Theo Susmita Dasgupta [76], nhiều thành phố lớn như thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Huế, Đà Nẵng, Nha Trang, Vũng Tàu s chịu tác động trực tiếp của nước biển dâng Kết quả nghiên cứu ngập lụt do biến đổi khí hậu và nước biển dâng tại Đà Nẵng đư c trình bày dưới dạng 4 bản đồ ngập lụt sau (Hình 1.8)

Hình 1.8 B n đồ nền (trên, trái) và ng p lụt à ng lũ t hợp v i mực

n c bi n dâng 0,3m (trên, ph i) 0 5 ( i trái) và 1 ( i, ph i)

Hình 1.9 B n đồ nguy cơ ng p khu vực thành ph à ng ứng v i kịch b n

n c bi n dâng 1m

- Kịch bản KB0: Hiện trạng ngập lụt trong do lũ lụt năm 1998 tại Đà Nẵng;

Từ các kịch bản ngập lụt do lũ như trong năm 1998 và mực nước biển dâng, cho thấy:

- Diện tích ngập sâu > 1m tăng nhanh hơn so với diện tích ngập sâu 0,5m trong các kịch bản;

- Ảnh hưởng kết h p của lũ lụt với nước biển dâng không làm tăng nhiều diện tích ngập lụt nhưng làm tăng diện tích đất bị ngập sâu;

- Ảnh hưởng kết h p của nước biển dâng từ 0,5÷1 m s làm nâng cao đỉnh lũ tại các sông trong thành phố lên thêm từ 20÷40 cm so với đỉnh lũ năm 1998

1.2 TÁC ĐỘNG CỦA I N Đ I H HẬU ĐỐI VỚI ẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 1.2.1 Các tổn thương của mặt đường b tông nhựa do biến đổi hí hậu

1.2.1.1 Ảnh h ng của h h u đ i v i v t liệu ê t ng nhựa

a Dễ tổn thương với nước

Hư hại do ẩm c thể c nhiều dạng, phổ biến nhất là bong tách Thuật ngữ bong tách đư c áp dụng cho hỗn h p nhựa đường mà biểu hiện tách màng nhựa đường từ bề mặt cốt liệu (mất độ bám dính) do tác động của ẩm, n càng trầm trọng hơn bởi giao thông Bong tách là một quá trình h a l mà bị ảnh hưởng bởi tính chất, điều kiện của cốt liệu, tính chất h a học và độ dày của màng nhựa N đư c tăng tốc bằng các điều kiện ẩm ướt và ấm áp hơn N i chung, cốt liệu cơ bản như đá vôi ít bị b c tách hơn cốt liệu c tính axit như đá granite và đá thạch anh Tương tự như vậy, các chất kết dính nhớt hơn và các chất phụ gia ít bị bong tách hơn, chẳng hạn như các amin và vôi tôi c thể giảm bớt tổn thương của cốt liệu với bong tách

Lư ng bong tách xảy ra theo cấp số nhân c liên quan đến độ rỗng, khi hàm

lư ng độ rỗng cao, nước c nhiều khả năng s xâm nhập vào vật liệu Do đ , độ thấm và độ đầm nén của BTN là rất quan trọng Bong tách c xu hướng bắt đầu tại đáy của lớp BTN Bởi vì đ là nơi mà nước đư c giữ lại và thường phát triển sớm

trước khi c bất kỳ dấu hiệu c thể nhìn thấy trên bề mặt Bong tách c thể dẫn đến các khu vực cục bộ bị suy thoái và cuối cùng gây phân rã của lớp bê tông nhựa Bong tách thường biểu hiện như mất tính toàn khối của vật liệu, Hình 1.10 là một ví dụ về bong tách vật liệu, độ đặc của đá dăm nhựa đường c thể dễ dàng lấy

từ một hố thử nghiệm với một búa khoan và x ng Cốt liệu không bọc nhựa và hạt mịn c thể đư c nhìn thấy Bong tách c thể đư c giới hạn ở khu vực nhỏ và nếu

đư c phát triển s gây nứt, ép cốt liệu nhỏ trồi lên bề mặt và tạo những ổ gà [66]

Hình 1.10 H hỏng do bong tách lấy từ h thử nghiệm

Nước c thể vào mặt đường và bị giữ lại giữa hai lớp BTN Bê tông nhựa sau

đ c thể hư hỏng như hậu quả của áp lực nước lặp đi lặp lại gây ra bằng tải trọng giao thông cọ tẩy nhựa đường khỏi cốt liệu Hình thức bong tách này là hư hỏng cơ học của hệ thống mặt đường bê tông nhựa, các thử nghiệm độ nhạy với ẩm là không thích h p [48]

Để tránh những vấn đề này, nước phải đư c ngăn thâm nhập vào mặt đường

và các lớp phía dưới không nhạy với hư hại do ẩm Khu vực của đường là nhạy nhất với nước bị giữ lại trong khu vực của mối nối thi công của lớp bê tông nhựa Một khi nước đi vào đường, n không chỉ c thể đi theo chiều dọc xuống dưới qua các vết nứt và vật liệu rỗng, mà n còn c thể đi ngang thông qua vật liệu đầm nén kém tại các khe nối của lớp bê tông nhựa theo chiều ngang

b Dễ tổn thương với nhiệt độ

Read và Whiteoak (2003) [69] đưa ra một cái nhìn tổng quan về h a già của nhựa đường Khuynh hướng nhựa đường h a già đã đư c biết đến và đư c nghiên cứu trong nhiều năm H a già của nhựa đường c thể xảy ra trong quá trình lưu giữ

và trong quá trình sản xuất khi n đư c trộn với cốt liệu, bảo quản, vận chuyển và đầm lèn mặt đường H a già cũng tiếp tục trong suốt thời hạn phục vụ của mặt đường H a già của nhựa đường trong thời hạn phục vụ của đường và các tác động vào các tính chất cơ học của các vật liệu này là mối quan tâm chính cho tính năng tương lai của mặt đường

H a già của các lớp mặt đường BTN dày hơn, làm tăng mô đun độ cứng của chúng và do đ cải thiện khả năng lan truyền tải trọng Nunn và cộng sự (1997) [59]

đã khảo sát một số tuyến đường đang phục vụ và thấy rằng, không c ảnh hưởng bất

l i của h a già trong lớp bê tông nhựa phía dưới

Sự xuất hiện của các vết nứt là phụ thuộc vào chế độ nhiệt độ mặt đường phải chịu và khả năng h a già của nhựa đường c liên quan đến tính chất h a học, thiết

kế hỗn h p (thể tích), mức độ lèn chặt và kết cấu của đường Tuy nhiên, nhiệt độ trung bình cao hơn s làm tăng tốc độ h a già do oxy h a [66]

Sức kháng trư t giảm theo tuổi và sự mài mòn của bề mặt N cũng bị ảnh hưởng bởi các thông số khí hậu như lư ng mưa và nhiệt độ Bề mặt cốt liệu tạo ma sát ướt do c bề mặt thô thâm nhập màng nước "Độ nhám vi mô" đư c mài nhẵn dưới giao thông trong điều kiện mùa hè bụi bẩn và khôi phục lại trong khí hậu mùa đông khắc nghiệt Tốc độ mài nhẵn phụ thuộc vào lưu lư ng giao thông và loại cốt liệu sử dụng trong mặt đường

Ngoài ảnh hưởng của nhiệt độ trung bình, nhiệt độ cao nhất cũng c ảnh hưởng đến độ bám Nhiệt độ cao và thời gian kéo dài tối đa của nhiệt độ cao c thể gây ra chảy nhựa trên bề mặt BTN Các vết lún bề mặt dự kiến s phát triển nhanh hơn với nhiệt độ cao và nước c thể đọng trong các vết lún và làm tăng nguy cơ xe

bị trư t nước [66]

b Sức kháng biến dạng của mặt đường bê tông nhựa

Vệt hằn bánh xe là kết quả của sự biến dạng trong một hoặc nhiều lớp mặt đường gây ra do tải trọng giao thông Vệt hằn là chỗ lõm dọc theo quỹ đạo bánh xe gây ra bởi sự di chuyển của tải trọng bánh xe thường xuyên làm biến dạng vật liệu mặt đường mà thiếu sự ổn định nội bộ Tải trọng tác dụng lên mặt đường phụ thuộc rất nhiều vào trọng lư ng của xe, thường theo quy luật lũy thừa bốn

Sự thay đổi độ sâu vệt hằn dọc theo chiều dài của đường dẫn đến mặt đường không bằng phẳng và chất lư ng xe chạy kém Nước c thể đọng ở vệt hằn và làm tăng nguy cơ xe bị trư t, tầm nhìn kém do phun bụi nước và n c thể ảnh hưởng đến tay lái Trong trường h p cực hạn và đặc biệt hơn ở mặt đường mỏng, n c thể gây ra mất cường độ kết cấu vì n làm giảm độ dày hiệu quả của mặt đường

N i chung, biến dạng trong các lớp bê tông nhựa phía trên không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của kết cấu mặt đường trừ khi n trở nên quá mức Ví dụ về lún

bề mặt đư c đưa ra trong Hình 1.11, trong đ cho thấy mặt đường c mặt cắt ngang

mà lún c thể đư c nhìn thấy giới hạn ở lớp bề mặt và lớp liên kết vô cơ Lún bề mặt c thể là do tải trọng giao thông nặng và tại các khu vực đô thị, nơi c giao thông di chuyển chậm khi tiếp cận các nút giao thông [66]

Hình 1.11 Lún phi k t cấu

Bằng chứng lịch sử từ các hệ thống trục đường ở Anh [63] cho thấy rằng biến dạng mà chủ yếu xảy ra ở 100 mm trên cùng của bê tông nhựa trên các lớp m ng

dạng hạt với tổng chiều dày bê tông nhựa ít nhất 200 mm, miễn sao mặt đường

đư c xây dựng trên một nền m ng tốt N phát triển với một tốc độ tương đối thấp, điển hình là 0,5 mm/triệu trục xe tiêu chuẩn Mặt đường mỏng hơn c thể biến dạng với tốc độ cao hơn nhiều, trong đ một phần lớn của biến dạng c thể xảy ra trong lớp m ng (biến dạng kết cấu), đặc biệt là với mặt đường trên đất yếu

Sức kháng lún của lớp mặt bê tông nhựa phụ thuộc vào nhiệt độ đường cũng như tải trọng giao thông Ở nhiệt độ cao, bê tông nhựa càng trở nên dễ dàng bị biến dạng và lún c nhiều khả năng xảy ra, đặc biệt là trên các đường c giao thông lớn Nghiên cứu cho thấy rằng phần lớn lún bề mặt xảy ra trên một vài ngày trong năm, khi nhiệt độ của bề mặt đường vư t quá 45°C [58] Cũng c bằng chứng rằng, ở trên một mức độ nhất định của sự kết h p nhiệt độ và tải trọng bánh xe, vật liệu bê tông nhựa c thể trở nên không ổn định [81] Thử nghiệm vệt hằn bánh xe đư c sử dụng để đánh giá tính nhạy của lớp mặt BTN với lún dưới tải trọng giao thông ở nhiệt độ 45°C hoặc 60°C

1.2.1.3 Tác động của n c i n đ i v i độ ền của v t liệu ê t ng nhựa

Trong điều kiện biến đổi khí hậu, mực nước biển dâng như hiện nay, sự xâm nhập của nước biển vào đất liền làm ngập cơ sở hạ tầng đã và đang xảy ra ngày càng tăng về tần suất và thời gian ngập

Trong những thảm họa thiên nhiên như lũ lụt, lốc xoáy, thủy triều dâng cao, hầu hết mặt đường bị xâm nhập nước biển mà chủ yếu là nước muối Vì vậy, mặt đường tiếp xúc với muối và bị ảnh hưởng bởi tác động c hại của muối Nước biển

c độ mặn trung bình 3,5% (35 gam/lít), muối dao động từ 3,2-3,8% Nước biển đã

đư c chứng minh là làm tăng tốc độ suy thoái mặt đường BTN gây các hư hỏng như

phồng rộp, nứt và khử liên kết của nhựa đường [28], [32], [61]

- Shahin Md và cộng sự (2015) [73] đã nghiên cứu độ bền của bê tông nhựa với các t lệ muối natri clorua thay đổi 0, 2, 4, 6, 8 và 10% theo khối lư ng của nhựa đường Sau khi thiết kế thành phần BTN và lựa chọn hàm lư ng nhựa tối ưu,

họ tiến hành đúc các mẫu BTN để thí nghiệm các chỉ tiêu cơ l của BTN Từ kết quả thí nghiệm, các tác giả đã rút ra các kết luận sau: Độ kim lún tăng lên, nhiệt độ

h a mềm giảm khi tăng hàm lư ng muối; độ d o của nhựa đường giảm và khối

lư ng riêng tăng lên khi tăng hàm lư ng muối; độ ổn định Marshall của BTN giảm

xuống và độ d o của BTN tăng lên với sự gia tăng hàm lư ng muối trong nhựa đường; hàm lư ng lỗ rỗng của BTN và của cốt liệu tăng lên khi tăng hàm lư ng muối Khi hàm lư ng muối là 4% đư c trộn với nhựa đường thì độ ổn định Marshall đạt rất gần với giá trị tối thiểu của tiêu chuẩn (544 kg) như Hình 1.12 Khi tăng hàm lư ng muối nhiều hơn nữa (từ 6% trở lên) thì độ ổn định Marshall của BTN không đạt yêu cầu so với quy định của tiêu chuẩn Do đ , giới hạn cho phép của hàm lư ng muối trong BTN tối đa là 4% theo khối lư ng của nhựa đường Hàm

lư ng nhựa đường tối ưu cũng c xu hướng tăng lên khi tăng hàm lư ng muối như Bảng 1.3

B ng 1.3 Hà l ợng nhựa đ ng t i u của các lo i hỗn hợp

Hình 1.12 Sự thay đ i ứng xử của BTN the hà l ợng mu i

Tuy nhiên, trong nghiên cứu này các tác giả chưa nghiên cứu ảnh hưởng của muối đến độ ổn định Marshall lâu dài của BTN Do đ , hàm lư ng muối tối đa cho phép c thể thấp hơn nữa

- Abdul Wahhab và Hasnain [23] nghiên cứu độ bền của BTN khi ngâm trong các môi trường nước ngọt, nước biển và nước xà phòng pha loãng Một số phương pháp xử l đư c thực hiện với hỗn h p BTN, bao gồm thay thế chất độn bằng xi măng, cốt liệu phủ xi măng và nhựa nhũ tương Kết quả chỉ ra rằng mô đun đàn hồi, cường độ kéo gián tiếp và tuổi thọ mỏi giảm với sự gia tăng mức độ bão hòa Các thông số cường độ cao nhất thu đư c cho nước ngọt và thấp nhất trong trường h p nước xà phòng Lớp phủ xi măng và thay thế chất độn bằng xi măng đã đư c tìm thấy là c hiệu quả trong việc giảm bong tách

- Ahmed Ebrahim Abu El-Maaty Behiry [24] nghiên cứu độ bền của BTN khi ngâm các mẫu BTN trong nước ngọt và nước biển theo các giai đoạn 1, 3, 7 và 14 ngày, sau đ thí nghiệm độ ổn định và độ d o Marshall theo thời gian ngâm tương ứng Độ rỗng thiết kế của các hỗn h p BTN lần lư t là 6%, 4% và 1,5% Kết quả thí nghiệm đư c thể hiện như Bảng 1.4

B ng 1.4 ộ n định và độ dẻo Marshall của các mẫu BTN

6,2 2,15

3,83 1,84

3,4 1,78

6,0 2,1

3,9 1,7

3,13 1,63

2,1 1,53

6,8 2,1

Độ d o, mm

3,7 2,71

3,5 2,62

1,81 2,49

1,43 2,05

3,1 2,55

2,18 1,77

1,12 1,68

1,1 1,62

3,9 2,82

Độ d o, mm

3,1 3,7

2,74 3,67

1,66 2,9

1,25 2,69

2,9 3,5

1,96 2,8

0,96 1,94

0,8 1,8

3,7 3,76 Các mẫu BTN bảo dưỡng trong nước máy và nước biển c độ ổn định và độ

d o Marshall thấp hơn so với các mẫu đối chứng (không ngâm nước) Thời gian ngâm càng tăng thì mức suy giảm độ ổn định và độ d o Marshall càng nghiêm trọng; BTN c độ rỗng càng cao thì mức suy giảm độ ổn định và độ d o Marshall càng lớn Ở 14 ngày ngâm, độ ổn định và độ d o Marshall giảm 69% và 27% đối với BTN c độ rỗng 1,5%; giảm 71% và 42% đối với BTN c độ rỗng 4,0%; giảm 78% và 52% đối với BTN c độ rỗng 6,0%

1.2.2 Các tổn thương của mặt đường b tông xi măng do biến đổi hí hậu

Bê tông xi măng là một vật liệu đa năng mà c nhiều l i ích bao gồm cả khả năng chống lại nhiệt độ cao và sự xâm nhập của các chất lỏng, kể cả các chất xâm thực như nước biển Mặt đường bê tông xi măng đư c sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới Tuy nhiên, mặt đường bê tông xi măng vẫn c thể bị tổn thương do các điều kiện khí hậu khắc nghiệt sau đây:

1.2.2.2 Các chất có h i x nh và t đ ng ê t ng

Đối với mặt đường, độ bền gần như chắc chắn là một vấn đề quan trọng hơn cường độ Mặt đường đư c tiếp xúc với bên ngoài, thường xuyên trong môi trường khắc nghiệt Trong hầu hết các khu vực, mặt đường thường xuyên chịu tác động trực tiếp nước mưa, nước đọng, nước ngầm hòa tan các chất c hại và đặc biệt là nước biển, C rất ít vật liệu xây dựng mặt đường c các tính chất cải thiện đư c các tác động của các chất c hại n i trên Trong đ , xâm nhập clo, sun phát là những thách thức lớn hiện nay đối với độ bền của mặt đường bê tông [50]

Các chất c hại hòa tan trong nước như canxi, natri, magiê và amoni sun phát xâm nhập vào bê tông gây mối nguy hại cho bê tông, khi chúng phản ứng với hồ xi

dẫn đến mất cường độ và tan rã bê tông

Clo gây ăn mòn cốt thép là một trong những hình thức chủ yếu của các ăn mòn môi trường với bê tông cốt thép, dẫn đến giảm cường độ và tuổi thọ của kết cấu bê tông [22] Sự tích lũy các sản phẩm ăn mòn giữa giao diện bê tông và thép tích tụ ứng suất xung quanh cốt thép gây nứt bê tông, từ đ tạo điều kiện cho sự xâm nhập của hơi ẩm, oxy và clo với cốt thép dễ dàng hơn và làm tăng tốc độ ăn mòn của cốt thép [74]

Theo số liệu thống kê, sự tổn thất do hư hỏng ăn mòn cốt thép của các kết cấu

bê tông xi măng trong môi trường chứa clo đã lên 2-4% của tổng sản phẩm quốc dân ở một số quốc gia ven biển trên thế giới [50], [74]

1.3 CÁC IỆN PHÁP CẢI THIỆN ĐỘ N CỦA Ê TÔNG XI ĂNG VÀ

T CẤU Ê TÔNG XI ĂNG TRONG ÔI TRƯỜNG X THỰC TRÊN TH GIỚI VÀ Ở VIỆT NA

1.3.1 hái niệm về độ bền của b tông xi măng

Theo ACI 201.2R-08 [19]: Độ bền của bê tông xi măng đư c định nghĩa “là

khả năng của n để chống lại các hoạt động thời tiết, ăn mòn do h a chất, sự mài mòn, hoặc bất kỳ quá trình suy thoái nào khác Bê tông bền s duy trì hình dạng ban đầu, chất lư ng và khả năng phục vụ của n khi tiếp xúc với môi trường”

Như vậy, cũng như các vật liệu khác, chất lư ng của bê tông thay đổi theo thời gian và quá trình này đư c minh họa bởi Sommerville [75] như Hình 1.13 Nhu cầu

về một kế hoạch tuổi thọ nằm đâu đ giữa đường cong 1 (thường quá đắt) và đường cong 3 (nguy hiểm cả về an toàn và tốn kém về sửa chữa, khôi phục) Hầu hết bê tông s thể hiện tính năng độ bền giống với đường cong 2 thể hiện sự suy giảm độ bền đáng kể theo thời gian Tuy nhiên, bảo trì liên tục c thể kiểm soát tình hình lên đến một mức độ nào đ

Hình 1.13 Suy gi độ bền theo th i gian của bê tông

Tính năng yêu cầu tối thiểu

Miền tính năng

Thời gian Công trình hoàn thành

1.3.2 Các biện pháp cải thiện độ bền của b tông và ết cấu b tông trong môi trường xâm thực

1.3.2.1 Gi i thiệu các iện há c i thiện độ ền của ê t ng và t cấu ê t ng

2 Lựa chọn thành phần vật liệu tối ưu của bê tông để chống lại suy giảm độ

bền trong một thời gian sử dụng quy định

Trong phạm vi nghiên cứu của Luận án, chỉ trình bày nh m phương pháp 2, lựa chọn thành phần vật liệu tối ưu của hỗn h p bê tông để cải thiện độ bền của n

1.3.2.2 Biện há c i thiện độ ền của ê t ng xi ăng và t cấu ê t ng xi ăng tr ng i tr ng x thực ằng lựa chọn thành h n v t liệu t i u

Tr n thế giới việc lựa chọn thành phần vật liệu tối ưu của hỗn h p bê tông xi

măng để cải thiện độ bền của bê tông xi măng và kết cấu bê tông xi măng chủ yếu là xác định tỉ lệ các vật liệu khoáng bổ sung vào hỗn h p bê tông xi măng như tro bay (TB), muội silic (MS), xỉ lò cao (XLC), metacaolanh (MK), puzơlan tự nhiên để đạt

đư c sức kháng cao nhất với các chất c hại như ion sun phát, ion clo, nước biển Trong phạm vi nghiên cứu của Luận án chủ yếu tập trung vào các nghiên cứu

sử dụng puzơlan tự nhiên để cải thiện độ bền của bê tông xi măng Sau đây là một

số nghiên cứu điển hình

- Ghrici M và cộng sự (2006) [40] nghiên cứu ảnh hưởng của puzơlan tự nhiên vào các tính chất cơ học và độ bền của vữa và bê tông Trong nghiên cứu, tác giả thay thế xi măng bằng 0, 10, 20, 30, và 40% bằng puzơlan Các mẫu vữa và bê

C; trong phòng thí nghiệm với nhiệt độ và độ ẩm kiểm soát ở mức 23 ± 2°C và 60 ± 10% tương ứng; bên ngoài phòng thí nghiệm c nhiệt độ và độ ẩm trung bình là 38 ± 2°C

và 35 ± 10% Qua kết quả thí nghiệm, các tác giả đưa ra kết luận: Cường độ của vữa

xi măng puzơlan thấp hơn so với vữa xi măng thường ở tuổi sớm nhưng c thể đạt

đư c cường độ tương tự ở độ tuổi muộn, hàm lư ng puzơlan thay thế xi măng càng cao thì cường độ càng thấp, thời gian bảo dưỡng ẩm ban đầu c ảnh hưởng đáng kể

và thời gian bảo dưỡng ẩm ban đầu tối thiểu 7 ngày là cần thiết; độ bền của bê tông

xi măng puzơlan với môi trường axit và sun phát cũng như xâm nhập ion clo cải thiện đáng kể so với vữa và bê tông xi măng thường

- Talah A và cộng sự [77] nghiên cứu tính chất thấm và độ bền của bê tông

concrete) c tỉ lệ N/CKD là 0,5 và 0,27 tương ứng Bê tông chất lư ng cao sử dụng 7,5% puzơlan tự nhiên Các mẫu bê tông đư c bảo dưỡng 1 năm trong nước 5% canxi clorua (môi trường 1) và trong nước thường (môi trường 2) Từ các kết quả thí nghiệm thu đư c, tác giả đưa ra các kết luận sau: Puzơlan tự nhiên cải thiện cường độ nén, làm giảm độ hấp thụ nước và tăng sức kháng xâm nhập ion clo của

bê tông Cụ thể, độ hấp thụ nước của bê tông khá cao và chịu tác động khá lớn bởi môi trường canxi clorua, trong khi độ hấp thụ nước của bê tông HPC là rất thấp và không chịu tác động của môi trường canxi clorua; độ thấm ion clo của bê tông HPC

ở mức rất thấp ở 28 ngày và gần như không thấm sau một năm, trong khi độ thấm ion clo của bê tông thường là khá cao Độ hấp thụ nước và độ thấm ion clo của các loại bê tông đư c thể hiện trong Hình 1.14 và 1.15

Tuổi bảo dưỡng (ngày)

Hình 1.14 T c độ hấp thụ n c của các lo i bê tông

Tuổi bảo dưỡng (ngày)

Hình 1.15 ộ thấm ion clo của các lo i bê tông

- Hossain K.M.A và Julkarnine K.M.Y [44] nghiên cứu cường độ và sức kháng thâm nhập ion clo trong môi trường biển của bê tông c tỉ lệ N/CKD = 0,45

0, 20 và 35% xi măng, các mẫu bê tông đư c bảo dưỡng trong ba điều kiện: Trong nước thường; ngập theo chu kỳ của thủy triều thực tế, thời gian ngập dao động trong khoảng 10-12 giờ; ngập hoàn toàn trong nước biển Các kết quả thí nghiệm đư c thể hiện trên các Hình 1.16 và 1.17 Các kết luận sau đây đư c rút ra từ nghiên cứu: Bảo dưỡng nước biển cho thấy hiệu suất tốt hơn của VSP (tăng cường độ khoảng 20%, 33% và 10% tăng với 5%, 10% và 15% PSV tương ứng) so với bê tông thường Phạm vi tăng cường độ c thể tăng thêm khi thời gian bảo dưỡng lên đến

180 ngày; bảo dưỡng ngập hoàn toàn trong nước biển biểu hiện mức tăng cường độ tối đa là 33% ở 180 ngày so với bảo dưỡng theo chu kỳ thủy triều Hàm lư ng tối

ưu của VSP dao động trong khoảng 5-15% thay thế xi măng trong bê tông Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) khẳng định sự hiện diện của hàm lư ng canxi hydroxit

so với các mẫu bê tông thường T lệ các lỗ rỗng với bán kính nhỏ hơn 20 nm cũng tăng lên khi mức thay thế của VSP tăng lên, làm giảm sự khuyếch tán của các ion nước biển trong bê tông VSC và cải thiện độ bền lâu dài Các mẫu bê tông VSP c sức kháng với thâm nhập clo tốt hơn thể hiện độ xâm nhập ion clo thấp nhất dưới độ sâu hơn; Tác giả kiến nghị áp dụng bê tông VSC trong công trình biển để cung cấp

Hình 1.16 Tăng h c gi c ng độ của bê tông v i tỉ lệ VSC khác nhau

Hình 1.17 Hà l ợng clo theo chiều sâu của bê tông tính từ bề m t tr ng điều

Hình 1.19 Hà l ợng clo theo chiều sâu của bê tông tính từ bề m t tr ng điều

kiện b ỡng ng h àn t àn tr ng n c bi n

Các kết luận đư c đưa ra tương tự như trong tài liệu [44]: Hàm lư ng tối ưu

VA thay thế xi măng dao động trong khoảng 5-15%

- Mahdi Valipour và cộng sự [52] nghiên cứu độ bền của bê tông ở môi trường

biển c tỉ lệ N/CKD = 0,40 với 0, 10, 20 và 30% puzơlan tự nhiên Zeolit thay thế xi măng Các mẫu bê tông tiếp xúc với điều kiện thủy triều trong 9 tháng để xác định

hệ số khuếch tán ion clo Kết quả thí nghiệm tác giả rút ra kết luận sau: Thay thế xi măng với 10% và 20% Zeolit tự nhiên làm tăng cường độ nén ở 28 ngày, trong khi thay thế 30% Zeolit làm giảm cường độ nén so với bê tông thường Đồng thời bê tông zeolite tự nhiên để cải thiện độ bền trong môi trường biển xâm thực với hệ số

khuếch tán ion clo giảm đáng kể

B ng 1.5 Hệ s khu ch tán ion clo của các lo i bê tông

Loại tông Hệ số huyếch tán ion clo (m 2 /s)

Ali Akbar Ramezanianpour và cộng sự [27] nghiên cứu ảnh hưởng của puzơlan tự nhiên Zeolite thay thế 0, 10 và 15% trọng lư ng xi măng vào các tính chất tươi, các đặc trưng cường độ và các chỉ tiêu độ bền của các bê tông c tỉ lệ N/CKD là 0,35; 0,4; 0,45 và 0,5 Các kết quả nghiên cứu về cường độ nén và các tính chất độ bền đư c thể hiện như Hình 1.20, 1.21 và 1.22