Nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng cho mặt đường sân bay

BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐÃ VÀ ĐANG DƯỢC SỬ DỤNG RẤT RỘNG RÃI TRONG XÂY DỰNG CƠ BẢN, PHỤC VỤ CHO NHIỀU NGÀNH KINH TẾ QUỐC DÂN CŨNG NHƯ TRONG XÂY DỰNG DÂN DỤNG, CÔNG NGHIỆP, THỦY LỢI , CẦU ĐƯỜNG . TRONG ĐÓ BÊ TÔNG LÀ MỘT TRONG NHỮNG LOẠI VẬT LIỆU XÂY DỰNG ĐƯỢC SỬ DỤNG VỚI SỐ LƯỢNG LỚN NHẤT V.VV...

1

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

- о О о -

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Tăng Văn Lâm

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2010

Người cam đoan

2

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn “Nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng cho mặt đường sân bay” tôi đã nhận được rất nhiều ý kiến đóng góp

rất quý báu và sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Vật liệu Xây dựng, khoa Vật liệu xây dựng, khoa Sau đại học – Trường Đại học Xây dựng cùng bạn bè đồng nghiệp

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Phạm Hữu Hanh,

Người hướng dẫn đề tài đã hết lòng tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi về phương hướng cũng như nội dung trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, cán bộ, nhân viên Phòng thí nghiệm và nghiên cứu Vật liệu Xây dựng, Trung tâm Phát triển Vật liệu – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình tiến hành những thí nghiệm nghiên cứu của đề tài luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm 2010

Tăng Văn Lâm

3 MỤC LỤC Trang Lời cam đoan ……… 1

Lơì cảm ơn ……… … ……… ……… 5

Mục lục……… 3

Danh mục các ký hiệu và cụm từ viết tắt… ……… ……… 5

Danh mục các bảng biểu… ……….… 6

Danh mục các hình vẽ và đồ thị………… ……….……….… 7

Phần mở đầu……… ….……… ….8

Chương 1 Tổng quan về bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng cho sân bay 16

1.1 Mở đầu 16

1.2 Tổng quan về bê tông chất lượng cao 16

1.3 Tổng quan về bê tông hạt mịn chất lượng cao 19

1.4 Tổng quan về bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng cho sân bay 22

1.4.1 Giới thiệu sân bay và đường băng sân bay 22

1.4.2 Ưu điểm khi sử dụng bê tông hạt mịn làm lớp phủ mỏng 23

1.4.3 Nhược điểm của lớp phủ mỏng bê tông hạt mịn 24

1.4.4 Các đặc điểm của mặt đường sân bay và mặt đường ô tô 25

1.4.5 Yêu cầu khi sử dụng bê tông làm lớp mặt đường sân bay 25

1.4.6 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới 28

1.4.7 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam 31

Chương 2 Cơ sở khoa học sử dụng bê tông hạt mịn cho đường sân bay 34

2.1 Tương tác giữa cốt sợi và vật liệu bê tông 34

2.2 Tính chất của bê tông hạt mịn cốt sợi 36

2.2.1 Tính chất của hỗn hợp bê tông 36

2.2.2 Tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao cốt sợi 36

2.3 Cơ sở khoa học sử dụng bê tông hạt mịn cho đường sân bay 39

2.3.1 Cấu trúc bê tông hạt mịn chất lượng cao 39

2.3.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo bê tông hạt mịn 46

2.4 Thiết kế thành phần bê tông hạt mịn chất lượng cao 58

2.4.1 Lý thuyết về thiết kế thành phần hạt 58

2.4.2 Thiết kế thành phần bê tông hạt mịn cường độ cao 61

Chương 3 Nghiên cứu tính chất của vật liệu sử dụng 65

3.1 Cốt liệu 65

4 3.2 Xi măng 66

3.3 Phụ gia khoáng mịn 67

3.3.1 Silicafume 67

3.3.2 Tro bay nhiệt điện 68

3.4 Phụ gia siêu dẻo 68

3.5 Cốt sợi 70

Chương 4 Nghiên cứu ảnh hưởng vật liệu đến tính chất bê tông hạt mịn 72

4.1 Thiết kế sơ bộ thành phần bê tông hạt mịn 72

4.2 Lập quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu 73

4.2.1 Chọn hàm mục tiêu 73

4.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng 73

4.2.3 Kế hoạch thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu 73

4.2.4 Thí nghiệm tìm miền dừng 76

4.2.5 Kế hoạch thực nghiệm bậc hai tâm xoay 77

4.2.6 Khảo sát ảnh hưởng của lượng sợi đến tính chẩt bê tông 83

Chương 5 Nghiên cứu các tính chất và công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn 85

5.1 Nghiên cứu các tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông 85

5.1.1 Nghiên cứu tính công tác hỗn hợp bê tông hạt mịn 86

5.1.2 Nghiên cứu các tính chất cơ học của bê tông hạt mịn 87

5.2 Nghiên cứu công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn 92

5.2.1 Quá trình nhào trộn hỗn hợp bê tông 93

5.2.2 Quá trình thi công hỗn hợp bê tông 94

5.2.3 Quá trình dưỡng hộ bê tông 95

Tài liệu tham khảo 97

Phụ lục 979

BTCLC : Bê tông chất lượng cao

BTCS : Bê tông cốt sợi

BTHM : Bê tông hạt mịn

BTXM : Bê tông xi măng

CH : Hyđrôxít canxi

CKD : Chất kết dính (xi măng + silicafume + tro bay)

C-S-H : Hyđrô silicát canxi

HHBT : Hỗn hợp bê tông

HMA : Hot mix Asphalt

ICAO : Tổ chức Hàng không dân dụng quốc tế

(International Civil Aviation Organization)

X

N : Tỷ lệ nước trên xi măng

PCB : Xi măng Pooclăng hỗn hợp – Blended Porland Cements

PC : Xi măng Pooclăng – Porland Cements

PCC : Bê tông xi măng – Porland Cement Concrete

PG : Phụ gia siêu dẻo

6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang

Bảng 1.1 Thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông Ductal 28

Bảng 1.3 Các công trình xây dựng sử dụng sản phẩm Ductal 29

Bảng 2.1 Các đặc tính điển hình của một số sợi dùng trong bê tông 48

Bảng 2.2 Quan hệ giữa kiểu sắp xếp và độ rỗng giữa các hạt 58

Bảng 3.5 Tính chất và thành phần hạt của silicafume Elkem 68

Bảng 3.6 Tính chất và thành phần hạt của tro bay nhiệt điện Phả Lại 68

Bảng 4.2 Cấp phối sơ bộ của hỗn hợp bê tông hạt mịn chất lượng cao 72

Bảng 4.3 Mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm 74

Bảng 4.4 Cấp phối bê tông hạt mịn theo quy hoạch thực nghiệm bậc nhất 74

Bảng 4.5 Kết quả cường độ nén của bê tông ở tuổi 14 ngày quy hoạch bậc nhất 74 Bảng 4.6 Quan hệ giữa cường độ bê tông tỷ lệ

CKD

X

Bảng 4.7 Mã hóa các biến số và các điểm quy hoạch thực nghiệm 77

Bảng 4.9 Kết quả thí nghiệm độ chảy và cường độ nén theo quy hoạch bậc hai 78 Bảng 4.10.Kết quả kiểm tra hệ số phương trình hồi quy cường độ bê tông 79

Bảng 4.11 Kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối hợp lý của bê tông hạt mịn 83 Bảng 4.12 Kết quả khảo sát lượng dùng cốt sợi polypropylene 83

Bảng 5.2 Kết quả thí nghiệm tính công tác của hỗn hợp bê tông hạt mịn 86

Bảng 5.3 Các tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao 87

Bảng 5.4 Kết quả cường độ kháng trượt của mẫu bê tông 90

Bảng 5.5 Kết quả cường độ bám dính nền của mẫu bê tông 91

Hình 1 Đường cong quan hệ giữa tải trọng và độ võng của bê tông cốt sợi 13

Hình 1.1 Lớp phủ bê tông dùng trong sân bay hàng không tại Ford Terminal 29

Hình 1.2 Lớp UTW và TWT được ứng dụng ở Williamsburg – Mỹ 31

Hình 2.1 Mô hình sự kéo tuột cốt sợi tại bề mặt liên kết của sợi và đá xi măng 35 Hình 2.2 Thí nghiệm xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông 39

Hình 2.3 Quan hệ giữa ứng suất uốn và độ võng của bê tông dùng cốt sợi 39

Hình 2.4 Sơ đồ ứng suất và biến dạng của bê tông cốt sợi 45

Hình 2.5 Sợi PP sử dụng để chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao 49

Hình 2.6 Sự hình thành của vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu khi 54

Hình 4.3 Ảnh hưởng của biến mã đến tính chất của bê tông 82

Hình 5.1 Biểu đồ sự phát triển cường độ nén của bê tông vào thời gian 88

Hình 5.2 Mô hình thí nghiệm xác định cường độ kháng trượt của bê tông 89

8

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bê tông và bê tông cốt thép (BTCT) đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng cơ bản, phục vụ cho nhiều ngành kinh tế quốc dân cũng như trong xây dựng dân dụng, công nghiệp, thủy lợi, cầu đường,… Trong đó bê tông là một trong những loại vật liệu xây dựng được sử dụng với khối lượng lớn nhất, chúng chiếm đến trên 80% khối lượng của các công trình xây dựng Và theo thống kê của Hiệp hội bê tông thì hàng năm trên toàn thế giới sử dụng khoảng 2,5 tỷ m3 bê tông các loại

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và kỹ thuật trên tất cả các mặt của đời sống xã hội thì ngành công nghiệp xây dựng nói chung và công nghiệp

bê tông nói riêng đã và đang tạo nên những bước phát triển to lớn cho phép chúng ta tạo

ra được nhiều hơn nữa những công trình kiến trúc mang tính đột phá, những công trình mang tính thế kỉ và những công trình đặc biệt có ý nghĩa quan trọng trong các hoạt động kinh tế, chính trị, xã hội, quốc phòng và an ninh,… Chất lượng các công trình phụ thuộc rất nhiều vào độ bền các kết cấu bê tông hay chính là chất lượng bê tông sử dụng Với việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật vào trong công nghệ chế tạo bê tông, cho phép chúng ta tạo ra những kết cấu bê tông, bê tông cốt thép và bê tông cốt sợi phân tán

có chất lượng cao, bê tông màu trang trí cường độ lớn [1] tăng tuổi thọ cho công trình Tuy nhiên trong điều kiện công nghệ và môi trường ở Việt Nam hiện nay, nhiều công trình hoặc các bộ phận kết cấu của công trình đã phát sinh vết nứt ngay trong giai đoạn thi công hoặc chỉ sau một thời gian sử dụng rất ngắn Do đó, nhu cầu phòng tránh

và xử lý các dạng vết nứt phát sinh trong quá trình thi công và khai thác sử dụng các công trình bê tông là rất quan trọng Theo [8], có rất nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng nứt nẻ, phá hoại kết cấu bê tông như: Do bê tông là vật liệu giòn, khả năng chịu kéo rất kém; do co khô; do từ biến hoặc tại các lớp phủ mỏng, các vị trí đặc biệt trong kết cấu chịu các ứng suất phức tạp làm cho vật liệu bê tông thường không đủ khả năng chịu lực

Để giải quyết vấn đền này, người ta đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như: Căng kéo cốt thép dự ứng lực, dùng phụ gia chống co ngót hay bố trí các loại cốt

Sợi được sử dụng để gia cường bê tông có rất nhiều loại như: Sợi thép, sợi các bon, sợi thủy tinh, sợi polyme, sợi thực vật,… Trong đó, sợi polyme tổng hợp là một lựa chọn có nhiều ưu điểm hơn cả vì giá thành rẻ hơn so với sợi các bon, sợi thủy tinh; khả năng phân tán của chúng lớn hơn so với sợi thép, sợi thực vật và chúng không làm giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông Chính vì những ưu điểm đó mà chủng loại bê tông cốt sợi polyme đã được ứng dụng rất rộng rãi trên thế giới

Khi trộn vào bê tông một lượng cốt sợi phân tán sẽ thu được một loại bê tông cốt sợi đồng đều và đa hướng Kết quả đã nghiên cứu [8] cho thấy, cường độ kháng kéo, kháng uốn, cường độ chống va đập, mài mòn,… của bê tông đều tăng lên rõ rệt so với

bê tông thường

Sử dụng bê tông cốt sợi làm lớp phủ mặt đường, vỉa hè, lớp phủ trên bề mặt kết cấu đã mang lại nhiều hiệu quả to lớn, có thể giảm được chiều dày kết cấu; tạo ra các kết cấu mỏng hơn, ít khe nối, ít bị nứt hơn mà niên hạn sử dụng dài, chi phí bảo dưỡng ít, rất thích hợp để làm lớp tăng cường trên mặt đường bê tông hiện hữu hoặc làm các lớp phủ bề mặt của kết cấu công trình xây dựng và công trình giao thông

Bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi nhân tạo khi dùng làm mặt đường sân bay có nhiều đặc điểm vượt trội là:

 Có khả năng tạo cấu trúc hạt nhỏ đặc chắc, đồng nhất cao

 Cường độ nén cao, cường độ kéo khi uốn khá cao, tính mềm dẻo, khả năng kháng nứt khi chịu tải trọng và bền trong môi trường

 Có khả năng sử dụng để thi công kết cấu vỏ mỏng có mật độ cốt thép dày, các lớp mỏng và siêu mỏng không có cốt thép và những giải pháp mặt bằng kiến trúc đa dạng

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn

Mục đích nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn Dmax = 5mm, cường độ nén lớn hơn 60MPa, cường độ uốn lớn, độ chảy cao sử dụng cho mặt đường sân bay trên cơ sở nguồn nguyên vật liệu, thiết bị sẵn có và phù hợp với khí hậu của Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng của luận văn là bê tông hạt mịn chất lượng cao, có sử dụng cốt sợi polypropylene, dùng cho mặt đường sân bay

 Phạm vi nghiên cứu của luận văn là sử dụng các loại vật liệu có sẵn trong nước để chế tạo sản phẩm bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng làm các cấu kiện mỏng hoặc làm lớp phủ bề mặt cho các công trình xây mới hoặc dùng sửa chữa và cải tạo các sân bay hàng không trên cả nước

4 Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn

Theo [10], [16], [19] bê tông là loại vật liệu composite không đồng nhất gồm ba thành phần pha:

 Cốt liệu (cát vàng và cốt sợi phân tán)

 Đá xi măng được tạo thành khi hồ xi măng rắn chắc

 Vùng chuyển tiếp giữa cốt liệu, cốt sợi và đá xi măng

Sự phá huỷ bê tông dưới tác động của tải trọng sẽ bắt đầu ở bộ phận yếu nhất của một trong ba pha trên Do đó, cơ sở khoa học để chế tạo bê tông chất lượng cao là phải tìm giải pháp để nâng cao chất lượng của ba thành phần pha này

11

a) Cơ sở khoa học của luận văn

Quá trình nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao dựa trên một số cơ sở khoa học sau:

 Nâng cao chất lượng của bộ khung cốt liệu

Một trong những yếu tố quyết định đến các tính chất cơ lý của bê tông phải đề cập đến là chất lượng và độ đồng nhất của bộ khung cốt liệu

Cốt liệu phải được lựa chọn từ các loại đá có độ đặc chắc lớn, cường độ cao và quan trọng là có độ ổn định và đồng nhất cao Theo nhiều nghiên cứu [9], [13] để nâng cao chất lượng và độ đồng nhất của bộ khung cốt liệu cần phải giảm đường kính của cốt liệu, bê tông hạt mịn đảm bảo được yêu cầu này

Thành phần hạt cốt liệu phải đảm bảo độ rỗng nhỏ nhất, độ đặc cao nhất, cấu trúc hỗn hợp ổn định và có cường độ cao Khi bộ khung cốt liệu có hình dạng hạt cốt liệu đồng đều, hàm lượng hạt dẹt cường độ yếu ít, sẽ tạo thành cấu trúc bộ khung cốt liệu ổn định, tạo điều kiện thuận lợi khi thi công kết cấu

Thành phần hạt cốt liệu nhỏ sẽ cho phép thi công tạo hình các kết cấu có chiều dày mỏng, các lớp mặt bao phủ mỏng trên bề mặt công trình

 Nâng cao chất lượng của đá xi măng

Theo [10], cường độ của đá xi măng phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Độ rỗng: Các lỗ rỗng trong đá xi măng có kích thước lớn hơn 50 m, nhất là khi chúng tập trung tại một khu vực sẽ có ảnh hưởng xấu đến cường độ

+ Kích thước hạt: Nói chung, cường độ của pha tinh thể tăng lên khi giảm kích thước hạt tinh thể Ở đây đá xi măng được coi là vật liệu có cấu trúc tinh thể

+ Độ đồng nhất: Trong vật liệu nhiều pha sự không đồng nhất về mặt cấu trúc là nguyên nhân làm giảm cường độ

Như vậy, để nâng cao cường độ của đá xi măng thì cần phải cải thiện cấu trúc của

đá xi măng bằng cách tác động vào ba yếu tố nói trên

Việc sử dụng các loại xi măng cường độ cao, cùng với các loại phụ gia khoáng hoạt tính, phụ gia siêu mịn đã góp phần làm tăng độ đặc của đá chất kết dính do các sản phẩm thủy hóa của xi măng lấp đầy lỗ rỗng Hàm lượng lỗ rỗng gel, lỗ rỗng mao quản trong cấu trúc đá xi măng nhỏ, đây là cơ sở để tạo ra bê tông cường độ cao

 Nâng cao cường độ vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu

Trong hỗn hợp bê tông sau khi tạo hình thường xuất hiện một lớp nước trên bề mặt bê tông Đó là do các hạt cốt liệu nặng hơn có xu hướng chìm xuống đáy, còn nước nhẹ hơn nổi lên trên bề mặt Hiện tượng này gọi là sự tách nước Nước cũng có thể tụ tập ở dưới các hạt cốt liệu lớn hoặc các thanh cốt thép, gây ra hiện tượng tách nước bên trong Kết quả là tỷ lệ

của hồ xi măng ở những vùng khác cách xa bề mặt cốt liệu

Theo [10] trong bê tông thông dụng, vùng chuyển tiếp thường có chiều dày trong khoảng 50  100m, chứa các lỗ rỗng tương đối lớn và các tinh thể lớn của sản phẩm thuỷ hoá nên có cường độ thấp hơn so với đá xi măng ở khu vực cách xa cốt liệu Do đó khi bê tông chịu các tải trọng, ứng suất sinh ra sẽ làm xuất hiện những vết nứt trước tiên

ở vùng chuyển tiếp

Khi trong vùng chuyển tiếp còn hiện diện các lỗ rỗng lớn và các vết nứt tế vi, thì cường độ của cốt liệu sẽ không có tác dụng hữu ích gì đến cường độ của bê tông, vì lúc

đó hiệu ứng truyền ứng suất giữa đá xi măng và cốt liệu rất nhỏ

Trong cấu trúc của bê tông chất lượng cao có tỷ lệ

X

N

nhỏ do sử dụng các loại phụ gia giảm nước tầm cao và sử dụng phụ gia khoáng hoạt tính siêu mịn sẽ cải thiện cấu trúc vùng chuyển tiếp, giảm chiều dày, tăng độ đặc chắc, giảm các lỗ rỗng có hại và từ

đó làm tăng cường độ của bê tông

 Sử dụng sợi polypropylene nhằm mục đích nâng cao khả năng chống nứt, tăng tính dẻo và cải thiện độ bền của bê tông

So với cốt thép liên tục, cốt sợi polypropylene có khả năng chịu kéo còn hạn chế, nhưng chúng lại thể hiện được nhiều ưu điểm trong một số trường hợp sau:

+ Vai trò của cốt sợi trong kết cấu là khống chế đường nứt, cải thiện tình hình làm việc của kết cấu sau khi nứt gãy, tăng năng lực hấp thu năng lượng Trong trường hợp này sợi không thay thế được cốt thép thông thường, do đó không có tác dụng cải thiện được cường độ

Theo [8], quan hệ giữa tải trọng và độ võng của vật liệu bê tông cốt sợi được thể hiện trên đồ thị hình 1



Bê tông có hàm lượng cốt sợi thấp

Hình 1 Đường cong quan hệ giữa tải trọng và độ võng của bê tông cốt sợi

Do cốt sợi polypropylene phân tán có rất nhiều ưu điểm nên bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi polypropylene có thể chế tạo các tấm mỏng, ít khe nối, có độ bền cao hơn mà thời gian sử dụng dài, chi phí bảo dưỡng thấp, rất thích hợp để làm các lớp phủ tăng cường trên mặt đường bê tông hiện hữu

b) Cơ sở thực tiễn của đề tài

Hiện nay đã có một số công trình khoa học nghiên cứu về chủng loại bê tông chất lượng cao sử dụng phụ gia siêu dẻo, phụ gia khoáng mịn,… Tuy nhiên, các đề tài chưa nghiên cứu tổng quát về loại bê tông hạt mịn chất lượng cao, dùng cốt sợi polypropylene để chế tạo các kết cấu có chiều dày nhỏ, làm các lớp phủ mỏng tăng cường trong các công trình mặt cầu, mặt đường ô tô, mặt đường sân bay

 Chế tạo kế cấu bê tông có chiều dày mỏng dùng trong những công trình hạ tầng sân - đường của Cảng hàng không như:

+ Phần kết cấu ở hai đầu của đường băng

+ Vị trí giao nhau giữa đường băng và đường lăn

+ Sân đỗ máy bay

+ Hangar của sân bay

+ Bề mặt kết cấu của các khu vực chịu tác dụng phụt của động cơ phản lực và tác dụng của nhiên liệu

 Sử dụng để chế tạo các lớp phủ tăng cường trên mặt đường băng sân bay

 Sử dụng để duy tu, sửa chữa các hư hỏng của công trình

 Sử dụng để thi công các kết cấu vỏ mỏng không có cốt thép thay thế cho bê tông lưới thép

5 Phương pháp nghiên cứu

Quá trình nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao, đề tài dựa trên cơ sở của phương pháp tiêu chuẩn Việt Nam và các phương pháp phi tiêu chuẩn bao gồm:

 Xác định tính chất của cốt liệu theo TCVN 7570 : 2006 và TCVN 7572 : 2006

 Lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử HHBT và bê tông hạt mịn chất lượng cao theo TCVN 3105: 1993

 Xác định độ sụt của HHBT theo TCVN 3106 : 1993

 Xác định khối lượng thể tích HHBT theo TCVN 3108 : 1993

 Xác định độ mài mòn của bê tông theo TCVN 3114 : 1993

 Xác định cường độ nén của bê tông theo TCVN 3118 : 1993

 Xác định cường độ kéo khi uốn của bê tông theo TCVN 3119 : 1993

 Xác định mô đun đàn hồi theo TCVN 3121 : 1993

 Xác định cường bám dính nền theo TCXD 236 : 1999

Ngoài ra, đề tài còn xây dựng mô hình thực nghiệm phi tiêu chuẩn để đánh giá cường độ kháng trượt của bê tông hạt mịn chất lượng cao

6 Những đóng góp mới của đề tài

 Về lý thuyết:

+ Hoàn thiện thêm lý thuyết về cấu trúc loại vật liệu mới, bê tông hạt mịn chất lượng cao có dùng cốt sợi polypropylene, khác so với cấu trúc bê tông thường

+ Làm phong phú thêm các kết quả về đặc điểm, tính chất của hỗn hợp bê tông và

bê tông hạt mịn chất lượng cao đặc biệt là các tính chất của loại bê tông này có cốt sợi phân tán sử dụng trong các kết cấu mỏng

 Về ứng dụng:

+ Bằng thực nghiệm, đề tài đã cho thấy có thể sử dụng lên đến 60% lượng tro bay nhiệt điện thay cho xi măng để chế tạo bê tông chất lượng cao có cường độ nén đạt trong khoảng 60MPa  90MPa

+ Bằng thử nghiệm, đề tài đã xác định được cường độ kháng trượt và lực dính kết giữa lớp bê tông cũ với lớp bê tông mới

7 Kết cấu của luận văn

Luận văn được trình bày trên 98 trang giấy A4, gồm phần mở đầu và 05 chương: Chương 1 Tổng quan về bê tông hạt mịn chất lượng cao cho mặt đường sân bay Chương 2 Cơ sở khoa học sử dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao cho sân bay Chương 3 Nghiên cứu các tính chất của vật liệu sử dụng

Chương 4 Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu đến tính chất bê tông hạt mịn chất lượng cao

Chương 5 Nghiên cứu các tính chất và công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

16

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG

CAO DÙNG CHO MẶT ĐƯỜNG SÂN BAY 1.1 MỞ ĐẦU

Vận tải hàng không là một ngành vận tải mới và phát triển rất nhanh Nếu tính từ khi mở tuyến đường bay đầu tiên từ Paris  London vào năm 1919 đến nay thì ngành vận tải hàng không mới hơn 80 tuổi [9] Nếu tính từ chuyến bay thương mại đầu tiên xuyên Đại Tây Dương và Thái Bình Dương tiến hành năm 1945 đến nay thì các chuyến bay hành khách quy mô toàn cầu mới hơn nửa thế kỷ

Tuy nhiên, do những lợi thế của vận tải hàng không (nhanh chóng, thuận tiện và tương đối an toàn) nên số hành khách đi máy bay tăng rất nhanh: Theo [9] vào năm

1950 số hành khách đi máy bay là 31 triệu người trên toàn thế giới, đến năm 1998 chỉ tính riêng số hành khách đi qua sân bay Atlanta (bang Georgia Mỹ) đã tăng lên đến 73,5 triệu người Cùng với việc tăng số lượng hành khách, khối lượng hàng hóa vận chuyển bằng đường không cũng tăng lên tương ứng Khả năng vận chuyển và tốc độ của máy bay thương mại cũng phát triển rất nhanh

Cùng với sự phát triển của vận tải hàng không, việc xây dựng các cảng hàng không mà trước hết là công tác xây dựng sân - đường bay cũng không ngừng phát triển Vận tải hàng không không có biên giới Vì vậy, những yêu cầu cơ bản đối với mặt đường của các cấp sân bay giống nhau được xây dựng để phục vụ khai thác các máy bay hiện đại một cách an toàn đều phải theo đúng những quy định của Tổ chức Hàng không dân dụng quốc tế (ICAO)

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa của nước ta hiện nay, ngành vận tải hàng không đang được chú trọng xây dựng và phát triển Mặc dù còn nhiều khó khăn nhưng ngành Hàng không dân dụng Việt Nam đã và đang khai thác nhiều loại máy bay hiện đại như B747, B767, A320, A321,… Thị trường hàng không của nước ta đã không ngừng mở rộng và kết nối với nhiều quốc gia trên toàn thế giới Các cảng hàng không Nội Bài, Tân Sơn Nhất, Đà Nẵng và một số sân bay khác đã và đang được nâng cấp, cải tạo theo công nghệ hiện đại, đáp ứng các yêu cầu của ICAO Xu hướng và nhu cầu phát

1.2 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG CAO

Bê tông chất lượng cao là loại bê tông không những có cường độ cao mà còn được đặc trưng bởi sự vượt trội so với bê tông thông dụng về các tính năng khác như: Độ lưu động cao hơn, mô đun đàn hồi lớn hơn, cường độ chịu uốn cao hơn, độ thấm nước thấp hơn, khả năng chịu mài mòn lớn hơn và độ bền cao hơn Có thể chế tạo bê tông chất lượng cao từ chính các nguyên vật liệu dùng để chế tạo bê tông thông dụng, tức là từ xi măng pooclăng, cát, đá dăm và nước Sự khác nhau là ở chỗ bê tông chất lượng cao được chế tạo với tỷ lệ nước trên xi măng (

X

N

) thấp hơn so với bê tông thường

So với bê tông thông dụng, trong thành phần của bê tông chất lượng cao còn có một cấu tử không thể thiếu là phụ gia siêu dẻo [12], [13], [14] được dùng để cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông mà không cần tăng lượng nước nhào trộn Hơn nữa,

Ngày nay, bê tông chất lượng cao là hướng nghiên cứu chủ đạo của nhiều nước trên thế giới Nếu như mối quan tâm của bê tông cường độ cao là giá trị cường độ có thể đạt được thì bê tông chất lượng cao cần phải quan tâm đến nhiều chỉ tiêu khác như [12]:

- Dễ tạo hình và đầm chặt mà không bị phân tầng

- Có các tính chất cơ học lâu dài

- Hỗn hợp dẻo cao với mức độ phân tầng thấp

- Không bị phá huỷ sớm do co ngót và do ứng suất nhiệt thấp

- Có cường độ lâu dài và ít bị thấm

* Theo tài liệu [10], [15] có một số nguyên tắc chế tạo bê tông chất lượng cao:

- Tăng cường độ của đá xi măng, đá chất kết dính: Bằng cách sử dụng các loại xi măng cường độ cao, xi măng siêu mịn hoặc có thể kết hợp sử dụng các loại phụ gia khoáng mịn để tăng cường độ của đá chất kết dính

- Tăng cường độ của khung cốt liệu bằng cách lựa chọn các loại cốt liệu có chất lượng tốt, thành phần hạt tối ưu và đồng thời kết hợp với việc giảm kích thước của hạt cốt liệu nhằm mục đích đồng nhất vi cấu trúc

- Tăng cường độ của vùng tiếp xúc nhờ việc giảm tỷ lệ

X

N

bằng cách dùng phụ gia giảm nước tầm cao, sử dụng phụ gia siêu mịn silicafume và tro bay nhiệt điện để tăng cường độ của vùng chuyển tiếp

- Lựa chọn biện pháp thi công tốt

* Theo [12], [13], [14] việc sử dụng bê tông cường độ cao có những ưu điểm sau:

- Cường độ cao

- Mô đun đàn hồi lớn

- Cường độ ban đầu cao

- Giảm được tải trọng chết của công trình

- Nhanh chóng đạt được mức độ từ biến cuối cùng

- Hiệu quả kinh tế khi sử dụng

Từ những hiệu quả mang lại, bê tông chất lượng cao đã được ứng dụng rất rộng rãi

ở Việt Nam và các nước trên thế giới Chúng được ưu tiên sử dụng trong các công trình: Nhà cao tầng và chọc trời, cầu nhịp lớn, mặt đường cao tốc, mặt đường sân bay,…

19

1.3 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO

Bê tông sử dụng cốt liệu mịn (bê tông hạt mịn - BTHM) đã được nghiên cứu rất lâu trên thế giới với nhiều mục đích khác nhau

Bê tông hạt mịn (đường kính hạt Dmax ≤ 5mm) hay có thể gọi là bê tông hạt cát đã

có lịch sử phát triển từ rất sớm Năm 1853, kỹ sư Francois Coignet đã đưa ra loại “bê tông đặc” cho kết cấu cột đổ tại chỗ chính là tiền thân của bê tông hạt mịn BTHM là một hỗn hợp không có đá bao gồm cát, tro bay, xỉ than, đất sét nung, vôi thuỷ tự nhiên

và hàm lượng nước thấp; một dãy nhà vẫn còn ở số 72 phố Charles – Michels, Sanit – Denis phía Bắc Paris cũng được xây dựng bằng loại bê tông này Sau đó, hỗn hợp này

sử dụng trong nhiều công trình xây dựng và hệ thống thoát nước, tường chắn ở quảng trường Trocadero ở Paris và hệ thống kênh thoát nước Vanne trong con đường qua rừng Fontainebleau

Theo [12], năm 1918 một thí nghiệm độc đáo đã được Nicolas De Rochefort làm tại Saint – Peterburg (Nga) Thí nghiệm đã nghiền lẫn cát và clanhke theo tỷ lệ bằng nhau, sau đó trộn sản phẩm này với cát theo tỷ lệ 1 (sản phẩm nghiền) và 3 (cát) Cường

độ nhận được bằng cường độ của hỗn hợp cát – xi măng rất giàu xi măng (1 xi măng và

2 cát) Thí nghiệm này cũng được giáo sư viện sĩ Rehbinder thực hiện lại như là một cơ

sở của những nghiên cứu riêng của ông về bê tông cát và cơ cấu bí ẩn của quá trính nghiền hỗn hợp cát – clanhke

Theo [12], ở nước Nga có lượng cát lớn nhưng hàm lượng sỏi cuội và đá tảng khan hiếm trên diện rộng Từ năm 1941 đã không ngừng chế tạo bê tông có thành phần cát và một hay hai loại chất kết dính (xi măng, vôi) như: Đường sân bay quân sự Pevec

và Arkangelsk, nút giếng dầu cạn, đường ô tô và đường cao tốc Serpukov - Toula, nhà mái xếp, kết cấu lắp ghép ở thành phố Nadym (Siberia) hầm và tàu điện ngầm vòm mảnh Gần đây (2007) những nghiên cứu của trường Đại học Xây dựng Matxcơva đã đề xuất công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn trên cơ sở cát thạch anh không dùng cốt liệu lớn làm các blốc móng, tấm ốp lòng kênh, viên vỉa hè, bậc thềm và các chế phẩm kích thước nhỏ khác

Vữa bơm (có thể coi là bê tông hạt mịn) và việc bơm vữa dùng trong các công nghệ chế tạo dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực Trong dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực thi công theo phương pháp căng sau: Bó cốt thép dự ứng lực được luồn vào các ống gel hoặc rãnh chừa sẵn Sau khi đã căng kéo các bó cốt thép, sẽ tiến hành bơm vữa vào các ống gel, rãnh Vữa bơm vào rãnh nhằm bảo vệ cốt thép khỏi bị rỉ và tạo sự kết dính tốt của cốt thép và bê tông khi làm việc

Bê tông cốt thép dự ứng lực là một loại kết cấu xây dựng được làm bằng 2 loại vật liệu: Bê tông và cốt thép cường độ cao, rất khác nhau, rất xa về chỉ tiêu cơ lý Yêu cầu chịu lực của kết cấu đòi hỏi hai loại vật liệu này phải liên kết chặt chẽ với nhau Các bó thép sau khi căng kéo có bơm vữa sẽ được dính kết chặt chẽ với bê tông Nó không những tăng thêm tính chống nứt của bê tông mà còn làm tăng khả năng chịu tải trọng của kết cấu Do đó, bơm vữa là một bước thi công quan trọng có liên quan mật thiết đến tuổi thọ và năng lực chịu tải trọng của công trình

Theo [12], bê tông hạt mịn có nhiều đặc điểm khác với bê tông thường như:

+ Có tổng tỷ diện tích cốt liệu cao nên thể tích rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn Do

đó, cần tăng hàm lượng hồ xi măng trong hỗn hợp so với bê tông thường

+ Có độ rỗng cấu tạo nhỏ và có sự phân bố đều đặn của các hạt cốt liệu do đó giảm được ứng suất tập trung tại chỗ tiếp xúc giữa đá xi măng với cốt liệu

Tuy nhiên, việc chế tạo bê tông hạt mịn chỉ sử dụng cát làm cốt liệu trước đây gặp nhiều khó khăn do độ rỗng của hỗn hợp chỉ thuần tuý cát sẽ lớn, bề mặt riêng của cốt liệu (cát) cũng sẽ tăng lên cần phải tăng lượng dùng xi măng để lấp đầy các lỗ rỗng, bao bọc các hạt cốt liệu để tăng cường độ và độ lưu động của hỗn hợp bê tông Ngoài ra, loại bê tông này cũng cần lượng nước nhiều hơn để đạt độ lưu động cần thiết - việc này

sẽ làm tăng độ rỗng của bê tông Việc tăng nước và xi măng cũng dẫn tới việc tăng độ

co ngót của bê tông

đã xuất hiện nhiều loại bê tông hạt mịn chất lượng cao có những ưu điểm sau đây: + Có khả năng tạo ra cấu trúc hạt nhỏ đồng nhất chất lượng cao

+ Nâng cao hiệu quả biến đổi vật liệu bằng các phụ gia hoá học và phụ gia khoáng

+ Tính xúc biến cao có khả năng biến đổi hỗn hợp bê tông

+ Tính công nghệ cao, có khả năng tạo hình các kết cấu bằng phương pháp rót, dập khuôn, ép đùn, phun vẩy,…

+ Hỗn hợp không bị phân tầng, tách nước trong quá trình vận chuyển và sử dụng + Sau khi đóng rắn, bê tông có độ co ngót thấp, ổn định thể tích

+ Bê tông có cường độ cao, liên kết tốt với bê tông cũ hay cốt thép

+ Dễ vận chuyển, trong đó kể cả vận chuyển trong đường ống

+ Có khả năng sử dụng rộng rãi hỗn hợp khô đảm bảo chất lượng cao

+ Có khả năng thu được những vật liệu có những tổ hợp tính chất đa dạng

+ Có khả năng thu được những giải pháp mặt bằng - kiến trúc mới: kết cấu vách

và lớp mỏng, các kết cấu hỗn hợp từ nhiều vật liệu khác nhau,…

Bê tông bột mịn (Reactive powder concrete - RPC) là một dạng mới của bê tông hạt mịn chất lượng cao (Ultra high performance concrete) Thành phần phổ biến của bê tông bột mịn gồm: Bột cát thạch anh rất mịn, xi măng, silicafume, nước, phụ gia siêu dẻo, cốt sợi phân tán được nhào trộn với nhau theo tỷ lệ nhất định trong đó tỷ lệ

X

N

rất thấp (khoảng 0,2) Sản phẩm bê tông bột mịn có thể được chưng hấp ở nhiệt độ cao và

độ ẩm lớn hoặc dưỡng hộ tự nhiên thường có cường độ nén cực cao (> 150 MPa), cường độ uốn khá cao (20  50MPa), đặc tính mềm dẻo cao Việc nghiên cứu RPC ban đầu ở phòng thí nghiệm Bouygues của Pháp trong những năm 1990 Nhưng việc ứng dụng RPC đầu tiên được công nhận là sản phẩm của Richard và Cheyrezy (Canada)

1.4 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO DÙNG CHO MẶT ĐƯỜNG SÂN BAY

1.4.1 Giới thiệu sân bay và đường băng sân bay

Theo tài liệu [9] có thể chia thành ba loại sân bay khác nhau đó là:

 Sân bay dân dụng được sử dụng cho các hoạt động vận tải, dịch vụ hàng không hoặc du lịch Các sân bay dân dụng phục vụ cho vận tải hàng không được gọi

là cảng hàng không

 Sân bay quân sự là vị trí cất – hạ cánh của các phi đội máy bay chiến đấu hoặc khi cần để tập hợp lại các phi đội máy bay chiến đấu Vì vậy, chúng không được sử dụng thường xuyên

 Sân bay kỹ thuật thường ở ngay tại các nhà máy chế tạo hoặc sửa chữa máy bay và là sân bay thí nghiệm cho các máy bay bay thử

Sự phân biệt giữa ba loại sân bay này không phải luôn rõ ràng, bởi vì trong thực tế một sân bay thường đảm nhiệm nhiều chức năng

Bộ phận chính của cảng hàng không đó là sân – đường, nơi dành cho máy bay cất cánh, hạ cánh, lăn bánh và có cả chỗ đỗ máy bay, phục vụ máy bay Các bộ phận chính của sân – đường bay bao gồm: đường băng, đường lăn, sân đỗ và các dải bảo hiểm Theo [9], đường băng là bộ phận sử dụng để cất – hạ cánh trong sân bay Trên các sân bay có số lần cất – hạ cánh máy bay lớn thì yêu cầu phải làm đường băng có bề mặt cứng chắc, có khả năng tiếp nhận tốt tải trọng của bánh máy bay

Mặt đường băng phải có độ dốc ngang bảo đảm thoát nước tốt Hai bên đường băng phải bố trí hệ thống thoát nước để nước thoát ra khỏi khu vực bay Mặt cắt dọc của đường băng phải đảm bảo tầm nhìn và độ bằng phẳng theo yêu cầu của chuyên môn, những chỗ đổi dốc phải bố trí đường cong đứng

 Lớp phủ thông thường: Đây là một lớp bê tông rải mỏng có chiều dày khoảng 200 mm hoặc lớn hơn tùy thuộc vào thiết kế và lực liên kết giữa lớp PCC và lớp HMA bên dưới

 Lớp phủ mỏng (Thin whitetopping - TWT) có chiều dày từ 100 ÷ 200 mm

 Lớp phủ siêu mỏng (Ultra thin whitetopping - UTW) có chiều dày nhỏ hơn

100 mm Lớp phủ này có yêu cầu phải liên kết tốt với lớp bê tông át phan bên dưới Lớp bê tông hạt mịn chất lượng cao dùng để chế tạo các lớp phủ mỏng, được sử dụng trong nhiều công trình như:

+ Chế tạo các bộ phận hạ tầng của sân – đường bay, bao gồm: Đường băng, đường lăn, sân đỗ máy bay và các dải bảo hiểm

+ Làm lớp mặt đối với các loại mặt đường ô tô, bãi đỗ và sân bay

+ Lớp mặt tăng cường cho các loại mặt đường đã hết tuổi thọ như: Mặt đường bê tông át phan, mặt đường bê tông xi măng

1.4.2 Các ưu điểm khi sử dụng bê tông hạt mịn làm lớp phủ mỏng

Theo [25], [29] khi sử dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao làm lớp phủ mỏng có các ưu điểm chính sau:

 Tuổi thọ tương đối cao, cao hơn mặt đường bê tông át phan Tuỳ theo cấp hạng đường và tiêu chí đánh giá của từng nước nhưng nói chung tuổi thọ của mặt đường bê tông xi măng (BTXM) được lấy vào khoảng 20  50 năm, Trung Quốc lấy 45 năm Tuổi thọ thực tế của mặt đường BTXM nhiều khi lớn hơn dự kiến khi thiết kế có thể đạt đến 80 năm [25]

 Chi phí duy tu, bảo dưỡng thấp

Do thời gian sử dụng tương đối dài, chi phí duy tu bảo dưỡng thấp nên tổng giá thành xây dựng và khai thác của mặt đường bê tông xi măng thấp hơn so với mặt đường

bê tông át phan

1.4.3 Nhược điểm của lớp phủ mỏng bê tông hạt mịn chất lượng cao

 Bề mặt lớp phủ thông thường tồn tại các khe nối, vừa làm phức tạp thêm cho việc thi công và duy tu, bảo dưỡng, vừa tốn kém, lại vừa ảnh hưởng đến chất lượng vận hành, khai thác Khe nối lại là chỗ yếu nhất của mặt đường BTXM, khiến cho chúng dễ bị phá hoại ở cạnh và góc tấm

 Móng đường BTXM yêu cầu có độ bằng phẳng cao, chất lượng đồng đều và liên tục Không được xây dựng mặt đường BTXM trên nền đường có cốt còn tiếp tục lún như đi qua vùng đất yếu

 Xây dựng mặt đường BTXM chất lượng cao cho các tuyến đường cấp cao và đường cao tốc đòi hỏi phải có thiết bị thi công đồng bộ, hiện đại và quy trình công nghệ thi công chặt chẽ

 Chi phí xây dựng ban đầu đối với mặt đường BTXM thường cao hơn so với các loại mặt đường khác

1.4.4 Các đặc điểm của mặt đường sân bay và mặt đường ô tô

Mạng lưới đường ô tô của mỗi nước có những quy định riêng về trọng lượng của trục bánh thiết kế, phụ thuộc vào điều kiện kinh tế, xã hội và điều kiện tự nhên của mỗi nước Theo [22] tải trọng trục bánh thiết kế của nước ta là 100kN (hoặc một bánh kép 50kN) với áp lực hơi trong bánh xe là 0,65MPa

Tốc độ lớn nhất của ô tô vận tải trên tất cả các loại mặt đường ôtô của các nước thường không quá 60km/h Trên sân bay, tốc độ của máy bay lại phụ thuộc vào kết cấu của bộ phận sân - đường: Mặt đường băng có chất lượng cao thì cho phép các máy bay cất – hạ cánh với tốc độ lớn và số lần cất – hạ cánh cũng tăng lên Vì vậy, phải tiêu chuẩn hóa việc thiết kế và khai thác mặt đường sân bay theo các quy định của ICAO

Do tải trọng thẳng đứng của bánh máy bay rất lớn nên chiều dày mặt đường sân bay thường lớn hơn nhiều so với chiều dày mặt đường ôtô Tải trọng ngang tác dụng trên mặt đường sân bay cũng lớn hơn rất nhiều so với trên đường ôtô Vì vậy, nếu thi công lớp dính bám trong kết cấu mặt đường mềm sân bay không tốt thì thường xuất hiện sự trượt của lớp mặt trên lớp móng tại các khu vực chịu các tải trọng lớn và các đoạn đường hãm phanh

Từ đó, với kết cấu mặt đường mềm của đường ô tô cấp cao người ta thường làm thành làn xe riêng cho các loại xe tải vì có nguy cơ hình thành vệt lún bánh xe trên làn

xe này Trong sân bay, nguy cơ này chỉ xuất hiện trên đường lăn, vì máy bay lăn với tốc

độ thấp và vệt bánh luôn tác dụng qua cùng một chỗ

Theo [9], [22] để chịu được tác dụng của các tải trọng lớn và các ứng suất tiếp lớn của bánh máy bay, người ta thường dùng vật liệu bê tông xi măng chất lượng cao để làm các kết cấu mặt đường cứng của sân bay, hoặc có thể dùng chúng để làm mặt đường cứng ở hai đầu đường băng tại các sân bay quân sự vì phải chịu tác dụng nhiệt của các động cơ phản lực

1.4.5 Các yêu cầu khi sử dụng bê tông làm lớp mặt đường sân bay

Theo các tài liệu [9], [22], khi sử dụng bê tông xi măng làm lớp phủ mặt đường sân bay cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

 Bảo đảm cho máy bay lăn bánh an toàn và thuận lợi Chức năng này đòi hỏi lớp mặt phải bảo đảm được các yêu cầu về cường độ và độ ổn định dưới tác dụng của tải trọng cũng như phải thoả mãn các yêu cầu về độ nhám và độ bằng phẳng

 Yêu cầu về cường độ, chống hiện tượng hình thành các vệt lún bánh xe và hiện tượng mỏi: Do tần suất tác dụng của máy bay tại một vị trí nhỏ hơn nhiều so với đường ô tô nên yêu cầu chỉ tiêu này không khắt khe như với mặt đường ô tô Tuy nhiên, mặt đường sân bay chịu tải trọng lớn hơn nên phải sử dụng hỗn hợp bê tông nhựa có độ dãn dài khi phá hoại cao hơn so với bê tông nhựa của đường ô tô

 Yêu cầu về độ nhám: Do số lần hạ cánh của sân bay không lớn nên yêu cầu đối với độ nhám không cao như đối với mặt đường ô tô, vì bánh máy bay ít làm hao mòn và trơn nhẵn cốt liệu Độ nhám (độ bám giữa bánh máy bay và mặt đường) của mặt đường khô và sạch thường là phù hợp với yêu cầu Tuy nhiên, khi mặt đường bị ướt thì thường không đủ độ nhám và mặt đường trở nên trơn trượt

Vì vậy, khi xây dựng và khai thác mặt đường sân bay cần đặc biệt chú ý đến độ nhám khi mặt đường ẩm ướt Để vận hành an toàn, mặt đường sân bay phải đủ độ bám

để hãm phanh khi máy bay hạ cánh (hoặc hãm phanh trong trường hợp việc cất cánh bị gián đoạn vì lý do kỹ thuật) và để quay bánh khi máy bay tiếp đất lúc hạ cánh

Do đó, để đạt được độ nhám vĩ mô trên mặt đường bê tông xi măng cần phải xẻ rãnh tạo nhám Ở mặt đường sân bay vai trò của độ nhám vi mô không rõ ràng

 Tính không thấm nước: Nước làm giảm sức chịu tải của kết cấu mặt đường

Do điều kiện thoát nước của mặt đường sân bay khó khăn hơn so với mặt đường ô

tô (khoảng cách thoát nước xa, thời gian thoát nước mặt trên đường băng lâu) làm cho tính không thấm nước trở thành một yêu cầu chính đối với mặt đường sân bay

đó là điểm ưu tiên để bảo đảm chất lượng Muốn vậy, hỗn hợp bê tông nhựa phải có

độ chặt và độ dễ thi công cao

 Độ bằng phẳng: Theo [9] kiến nghị của Tổ chức Hàng không dân dụng quốc

tế (ICAO) thì bề mặt đường băng không được gồ ghề làm giảm hiệu quả của việc hãm phanh hoặc có hại cho việc cất cánh và hạ cánh của máy bay Trên đường lăn

27

của sân bay, do tốc độ lăn bánh của máy bay thấp hơn (20  60km/h) nên yêu cầu

về độ bằng phẳng chỉ xấp xỉ với độ bằng phẳng của đường ô tô

- Bảo đảm sự toàn vẹn của lớp mặt: Dưới tác dụng lực của máy bay (ứng suất do tải trọng gây ra, do nhiên liệu rơi vãi hoặc do sự phụt của động cơ phản lực) và của môi trường khí hậu (tác dụng của nhiệt độ, độ ẩm và áp suất), mặt đường có thể bị phá hoại dưới các hình thức:

+ Nứt và rạn vỡ làm cho mặt đường bị thấm nước

+ Bảo đảm ổn định dưới tác động của môi trường Do diện tích lớn hơn, độ dốc nhỏ hơn, việc thoát nước khó hơn, tần suất tác dụng máy bay ít hơn, cũng như không được cây cối, nhà cửa che chắn nắng gió, cho nên ảnh hưởng của các điều kiện khí hậu và môi trường đối với mặt đường sân bay lớn hơn so với mặt đường ô tô

Hiện nay với công nghệ bê tông tiên tiến, việc nghiên cứu chế tạo lớp phủ mỏng bằng bê tông để tăng cường các tính chất cơ học, tăng độ nhám và tuổi thọ của mặt đường đang được rất nhiều nhà khoa học quan tâm Loại bê tông sử dụng cho kiểu kết cấu này thường là bê tông hạt mịn chất lượng cao, có cường độ nén cao, cường độ chịu kéo khi uốn lớn, có khả năng chống nứt, ổn định thể tích và liên kết rất tốt với lớp bề

mặt kết cấu hiện hữu

28

1.4.6 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao

ở các nước trên thế giới

Theo [30], một loại bê tông hạt mịn chất lượng cao, sử dụng cốt sợi phân tán, có cường độ cực cao, đã được công ty Bouygues Lafarge Rhodia sản xuất có tên là Ductal Ductal là sản phẩm bê tông hạt mịn chất lượng cao, dùng cốt sợi, có các đặc điểm:

Bảng 1.1 Thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông Ductal (Ductal mix design)

Vật liệu Đơn vị Giá trị các đại lượng

Bảng 1.2 Các tính chất cơ học của Ductal

Chỉ tiêu Đặc trưng cơ học ở tuổi 28 ngày

Ductal – FM Ductal - FO

29

Bảng 1.3 Các công trình xây dựng sử dụng sản phẩm Ductal

Dầm của nhà máy Điện hạt

Nhà bảo tàng Sofia Queen Madrid – Tây Ban Nha 2003

Theo [23], lần đầu tiên lớp phủ bằng bê tông (Concrete Pavement) được dùng trong mặt đường sân bay hàng không từ năm 1927  1928 tại Ford Terminal in Dearborn, Michigan - Mỹ Trong thời gian đó, lớp phủ bê tông được dùng rất phổ biến trong nhiều công trình xây dựng như: Mặt đường cao tốc, mặt đường băng sân bay,…

và đã mang lại nhiều hiệu quả to lớn

Hình 1.1 Lớp phủ bê tông dùng trong sân bay hàng không tại Ford Terminal in

Dearborn, Michigan – Mỹ

Theo [25], bê tông hạt mịn được sử dụng rộng rãi để chế tạo lớp kết cấu UTW nhằm phục hồi bất kỳ một khu vực nơi đó bị rửa trôi, lượn sóng của lớp át phan bị khuyết tật UTW phổ biến nhất với chiều dày 50 ÷ 200 mm nằm trên lớp HMA Hiện

Việc áp dụng đầu tiên của lớp UTW ở đường Luisville ở bang Kentucky năm

1991 và từ đó đã gần 200 dự án ở 28 bang của nước Mỹ Số liệu thực nghiệm chỉ ra rằng trong hầu hết các trường hợp thời gian xây dựng ngắn hơn và lâu hơn mới cần sửa chữa so với bê tông át phan truyền thống So sánh giá thành lớp bê tông có chiều dày từ

50 ÷ 100 mm rẻ hơn từ 25 ÷ 50% so với lớp bê tông át phan 50 ÷ 75 mm truyền thống

và tuổi thọ gấp 2 lần bê tông át phan

Đến năm 1999, UTW mới được dùng làm đường chính ở Michigan (Mỹ) nhưng

đã được sử dụng ở đường địa phương như: Tháng 9/1996 đoạn đường vận chuyển tới công ty thép và trạm trộn bê tông ở Traverse City, tháng 10/1996 ở Coolidge Yard Bus Terminal, Detroit; tháng 10/1997 ở Washtenaw County

Khoa giao thông Minnesota cũng đã thiết lập dự án nghiên cứu lớp Whitetopping cực mỏng ở đoạn ngã ba US-169 sông Elk để nghiên cứu cả về thiết kế và chất lượng của lớp UTW Trong đó hỗn hợp bê tông có sử dụng sợi polypropylene hay polyolefin Vào năm 1998 với sự giúp đỡ của các Bang, ban quản lý đường và hiệp hội đường

bê tông của Mỹ đã cho thí nghiệm để nghiên cứu trên đoạn dường dài 14,6m với kết cấu

là lớp bê tông xi măng cực mỏng đổ lên trên lớp mặt đường bê tông át phan ở McLean, Virginia với chiều dày 50  100 mm.Mục đích của nghiên cứu: Xác định tính chất củaUTW dưới điều kiện tác động của nhiệt độ và tải trọng bánh xe; nghiên cứu đặc điểm thiết kế dựa trên tính chất của UTW; xác định sự phản ứng của mặt đường với sự phát triển của mô hình cơ học

Lớp phủ bề mặt với vật liệu là bê tông xi măng có cốt sợi phân tán, có thể dùng chế tạo lớp mặt đường, nơi mà các loại vật liệu làm đường truyền thống thường bị hư hỏng do bị xô đẩy, nứt vỡ hoặc bị các tác động co ngót biến dạng UTW tốt nhất dùng cho đường giao cắt và sửa đường UTW sẽ giảm chi phí, tăng độ bền, tăng tuổi thọ của mặt đường Thi công lớp UTW dễ dàng: Đầu tiên là chế tạo khuôn đường với chiều sâu

100 mm và làm sạch Sau đó đổ bê tông trực tiếp lên bê tông át phan với việc sử dụng

trên mặt đường bằng thiết bị tạo khe, rãnh để tạo hình kết cấu

Hiện trạng bề mặt sân bay

Williamsburg County Regional

Quá trình thi công sân bay Williamsburg County Regional bằng lớp Whitetopping

Bề mặt sân bay Williamsburg

County Regional sau khi thi công

Sân bay Savannah-Harding được thi công bằng lớp Ultra thin Whitetopping

Hình 1.2 Lớp UTW và TWT được ứng dụng ở Williamsburg – Mỹ

1.4.7 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông hạt mịn chất lượng cao ở

Việt Nam

Những năm gần đây ở nước ta, hầu hết các dự án đường bộ mới đều được thiết kế theo tiêu chuẩn mặt đường cao tốc, xe chạy với tốc độ có thể đạt trên 100km/h Vấn đề đặt ra chính là tạo nhám cho mặt đường, đảm bảo khai thác an toàn không bị trơn trượt giữa bánh xe và mặt đường

và không có bụi khi sử dụng

Hình 1.3 Máy bay Boeing 777ER trên

sân bay Nội Bài Hình 1.4 Sân bay Đà Nẵng

Để đáp ứng các yêu cầu đó thì vật liệu chế tạo mặt sân - đường của cảng hành không phải có những tính chất đặc biệt, chất lượng cao Những năm gần đây nước ta một số nhà khoa học tại các trường Đại học, các Viện chuyên ngành đã tiến hành nghiên cứu nhiều công trình khoa học để áp dụng bê tông cường độ cao, bê tông chất lượng cao vào trong kết cấu của đường sân bay

Năm 2007, Công ty Tư vấn và Thiết kế Hàng không Việt Nam đã thiết kế và thi công các kết cấu của mặt đường sân bay Kiến An (Hải Phòng) bằng bê tông cường độ cao cốt sợi thép Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội [21] đã có nhiều đề tài nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi thép tại phòng Thí nghiệm Công trình của trường Bên cạnh đó tại Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng đã có nhiều ứng dụng thực

tế hơn, đó là sử dụng bê tông cốt sợi thép để tu bổ và sửa chữa hư hỏng của các công trình, ví dụ như: Sử dụng bê tông cốt thép phân tán để tu bổ lớp mặt đường công trình di tích [1], sửa chữa Hangar máy bay [17]

Qua một số tóm lược trên ta thấy, việc nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng cốt sợi phân tán, với tính công tác tốt, cường độ chịu nén cao, cường

độ chịu kéo khi uốn lớn, giá thành hạ từ các nguồn vật liệu sẵn có ở Việt Nam, dùng cho các công trình đường giao thông, đường sân bay là rất cần thiết

 Việc nghiên cứu chế tạo bê tông hạt mịn chất lượng cao sử dụng trong các công trình giao thông là rất cần thiết, phù hợp với điều kiện Việt Nam, đáp ứng được yêu cầu cho kết cấu có chiều dày mỏng, lớp phủ mỏng tăng cường trên bề mặt đường cao tốc, mặt đường băng sân bay

 Việc sử dụng cốt liệu có kích thước hạt nhỏ, hỗn hợp bê tông có độ linh động cao, cấu trúc bê tông đặc chắc phù hợp cho kết cấu bao che dạng lớp mỏng, tấm mỏng không có thanh cốt thép chịu lực trong các lớp mặt đường là giải pháp hiệu quả nhất để tăng độ bền của các kết cấu

34

Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT

LƯỢNG CAO CHO MẶT ĐƯỜNG SÂN BAY 2.1 TƯƠNG TÁC GIỮA CỐT SỢI VÀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG

Việc bổ sung sợi vào trong cấu trúc của bê tông có thể làm thay đổi đáng kể tính chất của bê tông vì chúng có ảnh hưởng đến tính chất của bê tông cả ở trạng thái dẻo và trạng thái rắn chắc Đóng góp chính của cốt sợi polypropylene là sự cải thiện tính chất của bê tông đã cứng rắn

Theo [16], [19] bê tông là loại vật liệu composite nhiều thành phần có pha nền là

hồ xi măng Sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền (pha nền) là vấn đề cơ bản quyết định chất lượng và các tính chất của bê tông cốt sợi Theo các nghiên cứu [8], [21] các yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác giữa sợi và pha nền hồ xi măng bao gồm:

 Điều kiện, trạng thái của vật liệu nền

 Cấu trúc, thành phần của vật liệu nền

 Loại sợi, hình dạng, đặc điểm bề mặt, độ cứng và tính chất của sợi

 Hướng sợi: Sợi bố trí đẳng hướng hoặc bố trí ngẫu nhiên

 Tỷ lệ thể tích sợi sử dụng

 Tính bền của sợi khi làm việc lâu dài trong bê tông cốt sợi

Hiệu quả chủ yếu của sợi là nâng cao tính chất cơ học của hồ xi măng trong hai quá trình gồm:

+ Quá trình truyền tải trọng từ vật liệu nền xi măng sang sợi

+ Ảnh hưởng của cốt sợi đến sự xuất hiện các ứng suất khi tăng tải trọng của vật liệu nền xi măng

Việc cải biến các khả năng cơ học của bê tông cốt sợi đều thông qua sự tương tác giữa cốt sợi phân tán và đá xi măng

Theo [10], bê tông nặng là hỗn hợp không đồng nhất của các thánh phần: Xi măng, cốt liệu, nước và phụ gia Phản ứng thủy hóa giữa xi măng và nước dẫn đến sự co ngót rõ rệt của hồ xi măng khi đông cứng Hàm lượng cốt liệu, cốt sợi hợp lý có hai ưu điểm lớn đó là:

+ Tiết kiệm được khối lượng hồ xi măng

Theo [8] đó chỉ ra rằng, trong cấu trỳc của bờ tụng tồn tại những vệt nứt vi mụ tại

bề mặt của cỏc phõn tử cốt liệu thụ cú kớch thước lớn Cỏc vết nứt này cú thể tồn tại ngay ở trạng thỏi khụng tải

Khi bờ tụng bị kộo dưới cỏc tải trọng khỏc nhau, bao gồm cả quỏ trỡnh vật liệu bị mỏi, cỏc vết nứt vi mụ sẽ lan rộng theo bề mặt cốt liệu và một phần ở vựng chuyển tiếp xung quanh hạt cốt liệu

Khi bổ sung thành phần cốt sợi vào bờ tụng, khối bờ tụng trở thành hỗn hợp được tăng cường Cỏc loại sợi cú tỏc dụng tăng cường giới hạn chịu kộo, cú thể gõy ra cỏc vết nứt vi mụ ban đầu trong bờ tụng Tuy nhiờn, mức độ tăng cường giới hạn chịu kộo cũn phụ thuộc vào số lượng và sự hiệu quả của sợi tại vựng cú thể xuất hiện đỉnh vết nứt Theo [21] mụ phỏng sự tương tỏc giữa cốt sợi phõn tỏn và vật liệu đỏ xi măng dựa trờn hỡnh dạng của lực kộo tuột đơn giản (hỡnh 2.1)

l

PP

x Vật liệu đá xi măng

x) + d

x) 2r dx

Hỡnh 2.1 Mụ hỡnh sự kộo tuột cốt sợi tại bề mặt liờn kết của sợi và đỏ xi măng

Cỏc quỏ trỡnh liờn quan đến sự tương tỏc giữa sợi và đỏ bờ tụng chủ yếu xảy ra trong vựng tương đối nhỏ xung quanh sợi và đỏ xi măng Tỏc dụng chủ yếu của cốt sợi trong bờ tụng cốt sợi được thể hiện sau khi vật liệu bị nứt Khi đú chỳng sẽ bắc cầu qua vết nứt và vỡ vậy ngăn ngừa được sự phỏ hủy kết cấu Sự bắc cầu của sợi xuyờn qua vết nứt được đỏnh giỏ làm nền tảng cho những dự đoỏn về tớnh chất của bờ tụng cốt sợi trong vựng đó nứt, qua đú cũng xỏc định được sự liờn quan của cơ chế truyền ứng suất trượt ma sỏt và ứng suất đàn hồi

36

2.2 TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG HẠT MỊN CỐT SỢI

2.2.1 Tính chất của hỗn hợp bê tông

Bê tông cốt sợi khó trộn hơn bê tông thường, những tham số ảnh hưởng đến tính chất của hỗn hợp bê tông cốt sợi là:

 Loại sợi và hàm lượng sợi

 Loại cốt liệu lớn, hình dạng và hàm lượng cốt liệu lớn

 Phương pháp đưa cốt sợi vào trong hỗn hợp bê tông khi trộn

 Loại và hàm lượng phụ gia siêu dẻo sử dụng

Tính công tác của hỗn hợp bê tông cốt sợi là một yêu cầu rất quan trọng, quyết định đến các quá trình trộn, đổ và đầm bê tông Sợi polypropylene có tính chất là mềm dẻo, bề mặt trơn nhẵn do đó không làm tổn thất nhiều độ dẻo của hỗn hợp bê tông Mặt khác, loại sợi này có đặc điểm là dễ dàng phân tán trong môi trường kiềm của hỗn hợp

bê tông, không bị vón cục hoặc tạo thành những khối cầu trong quá trình trộn

Do đó bê tông hạt mịn chất lượng cao, sử dụng cốt sợi polypropylene (PP), có tính công tác tốt, có thể tự lèn chặt vào kết cấu trong quá trình đổ, hoặc có thể thi công bằng phương pháp bơm bê tông, phun bê tông mà không xảy ra hiện tượng tắc nghẽn vòi bơm, vòi phun bê tông

2.2.2 Tính chất của bê tông hạt mịn chất lượng cao cốt sợi đã hóa cứng

Cốt sợi PP đã đem lại cho bê tông nhiều tính chất đặc biệt, hệ thống nhiều pha của

bê tông và sợi hình thành hệ thống đàn hồi - dẻo Ưu điểm chính của hệ thống này là sự phát triển khả năng chịu tải trước và sau khi hình thành vết nứt trong cấu kiện bê tông, khác hẳn so với tình trạng của bê tông thường sau khi đã có vết nứt đầu tiên

Trong các ứng dụng làm mặt đường, mặt sàn, làm cấu kiện đúc sẵn, làm bê tông phun, các ứng suất trong bê tông được phân bố ngẫu nhiên và bị ảnh hưởng bởi các điều kiện tác động của ngoại lực Do đó không thể xác định trường ứng suất thực tế và đặt một hay hai lớp cốt thép ở những vị trí cố định trong khi ứng suất thay đổi từ trên đỉnh đến đáy cấu kiện Các điều kiện đặt tải như tải trọng chu kỳ, biến đổi nhiệt độ, lực cắt, lực xung kích, co ngót đã phát triển sự phân bố ngẫu nhiên ứng suất trong bê tông

mà có thể gây hư hại cho kết cấu

Tính chất của bê tông đông cứng được cải thiện một cách đáng kể thông qua việc thêm một cách đáng kể thông qua việc thêm vào bê tông một thể tích cốt sợi thích hợp Sợi sẽ làm việc có hiệu quả nếu chúng được liên kết theo phương của ứng suất kéo chủ

và nếu khoảng cách giữa các sợi càng nhỏ càng tốt Nhân tố quan trọng nhất đối với sự hình thành vết nứt chính là khoảng cách cực đại thực tế giữa các sợi Như vậy, phân phối và định hướng sợi phải càng đồng dạng càng tốt bởi vì như vậy sẽ sản sinh tính đồng nhất vĩ mô và tính chất đẳng hướng trong vật liệu Đây chính là ảnh hưởng của sợi phân tán có thể được khai thác trong thực hành, trong khi thực tế không thể thực hiện được việc kiểm tra toàn diện một kết cấu xây dựng

Các sợi ảnh hưởng đến cường độ kéo, cường độ cắt và nén, tính chất của vết nứt

và quá trình biến dạng của bê tông Những sự biến đổi, những thành phần khác trong quá trình trộn bê tông hoặc quá trình sử dụng bê tông có thể có ảnh hưởng quan trọng đối với tính chất này Đặc trưng hình học của những cấu kiện và điều kiện thí nghiệm cũng có một ảnh hưởng quan trọng và phải được tính đến bằng các hệ số tính toán Như bê tông thông thường, những tác động của môi trường ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của bê tông cốt sợi đã đông cứng Ảnh hưởng này có thế xuất hiện do sự bốc hơi nước bề mặt, do quá trình rửa trôi bề mặt ngoài, do tải trọng xung kích, tải trọng lặp hay các tác động hoá học khác Như vậy, quá trình bảo dưỡng bê tông đông cứng có một vị trí rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của kết cấu

a) Ảnh hưởng của sợi đến khả năng phát triển vết nứt của bê tông

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sự tồn tại các sợi polypropylene trong vật liệu bê tông đó là chúng có thể điều khiển quá trình phát triển vết nứt Chúng làm chậm quá trình phát triển vết nứt và khi vết nứt đã mở rộng thì chúng có vai trò phân phối lại tải trọng trong vùng nứt Như vậy, các sợi polypropylene có ảnh hưởng đáng kể đến trạng

Các sợi polypropylene phân tán cũng cải thiện quá trình phân phối vết nứt Trong quá trình chịu tác dụng của tải trọng và ứng suất, số lượng vết nứt tăng trong vật liệu có tăng thêm nhưng chiều rộng và khoảng cách giữa các vết nứt sẽ giảm đi Theo [21] việc tăng cường cốt sợi phân tán chủ yếu làm tăng thêm cường độ sau nứt của bê tông, còn cường độ trước khi nứt của chúng tăng không đáng kể Cường độ trước khi nứt của bê tông chủ yếu phụ thuộc vào số lượng của sợi, không phụ thuộc vào kiểu sợi

Trạng thái sau phá hủy của bê tông cũng được cải thiện một cách đáng kể Theo [21], biến dạng khi phá hủy của bê tông cốt sợi có thể tăng lên tới 10 lần đối với vật liệu thông thường Như vậy, với cấu trúc có cốt sợi sẽ làm tăng thêm khả năng làm việc của kết cấu sau khi phá hủy

b) Ảnh hưởng của cốt sợi đến khả năng chịu kéo khi uốn của bê tông

Khi vật liệu chịu tải trọng uốn, toàn bộ mặt cắt tiết diện cùng tham gia chịu lực, biểu đồ biểu diễn quá trình biến dạng là một hình chữ nhật được chia thành hai vùng gồm vùng kéo và vùng nén

Theo [21] bê tông cốt sợi có thể làm việc hiệu quả trong trường hợp kết cấu chịu ứng suất uốn Với các loại bê tông thường không sử dụng cốt sợi, khi tải trọng uốn tăng lên, trục trung hòa của tiết diện chịu lực sẽ nâng dần lên, diện tích chịu nén sẽ giảm dần Trong thớ chịu kéo, ứng suất kéo đạt đến cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông thì vết nứt bắt đầu xuất hiện Chúng được mở rỗng đến giá trị cực đại và kết cấu bị phá hoại Nhưng đối với bê tông có sử dụng cốt sợi phân tán, khi ứng suất kéo trong thớ bê tông chịu kéo đạt đến giá trị cực đại, trong cấu trúc vật liệu cũng bắt đầu xuất hiện vết nứt Khi đó cốt sợi phân tán đồng đều trong cấu trúc sẽ không cho vết nứt mở rộng, làm tăng khả năng chịu kéo của tiết diện và lúc này một sự cân bằng mới được thiết lập trong vật liệu

Dựa trên cơ chế này ta thấy, bê tông sử dụng các loại cốt sợi phân tán nói chung

có khả năng chịu tải trọng tốt hơn hẳn so với bê tông thông thường

Hình 2.3 Quan hệ giữa ứng suất uốn và

độ võng của bê tông dùng cốt sợiDựa vào biểu đồ ta thấy:

 Đường (1) thể hiện sự phá hủy của bê tông thông thường, trong đó sự phá hủy xảy ra ngay sau khi cường độ vết nứt vượt quá giới hạn cho phép

 Đường (2) thể hiện sự phá hủy của bê tông sử dụng cốt sợi thép có hàm lượng nhỏ (0,7% thể tích), khả năng liên kết của sợi với nền xi măng kém, sợi có chiều dài lớn làm cho sợi bị cắt đứt trước khi sợi phát huy được hết khả năng chịu kéo của nó

 Đường (3) và (4) thể hiện sự chịu kéo rất tốt của bê tông, trong đó cấu trúc của bê tông được bổ sung các loại sợi có tính liên kết tốt và khả năng chịu kéo cao

do sợi được bẻ neo hai đầu hoặc được uốn móc

2.3 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC SỬ DỤNG BÊ TÔNG HẠT MỊN CHẤT LƯỢNG CAO CHO MẶT ĐƯỜNG SÂN BAY

2.3.1 Cấu trúc bê tông hạt mịn chất lượng cao

Bê tông chất lượng cao không chỉ có cường độ nén cao mà còn đạt nhiều tính năng quan trọng khác như: Độ bền trong môi trường chịu tác động hoá học cao, bền băng giá, tính thấm rất thấp, ổn định thể tích tốt,… Vì vậy, loại bê tông này đáp ứng đầy

đủ các yêu cầu về mặt vật liệu để xây dựng hoặc sửa chữa các công trình giao thông

2.3.1.1 Cấu trúc thành phần hạt của bê tông hạt mịn chất lượng cao

Cấu trúc hỗn hợp cốt liệu tạo nên khung xương chịu lực cho bê tông [7], [10], [12], [13], cấu trúc này phụ thuộc vào cường độ bản thân hạt cốt liệu, tính chất cấu trúc (đặc tính bề mặt hạt, diện tích tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu với đá xi măng và cường độ liên kết giữa các hạt) Thông thường, cường độ bản thân hỗn hợp cốt liệu có cấp phối hạt mịn hợp lí đã đồng thời giải quyết được các chức năng:

+ Tăng diện tích tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu

+ Không gian hở (độ rỗng xốp) trong bộ khung là nhỏ nhất và kích thước lỗ rỗng xốp bé được phân bố đồng đều

+ Chiều dày của liên kết hồ xi măng với các hạt cốt liệu là hiệu quả nhất (chỉ nhằm mục đích liên kết)

Đối với bê tông hạt mịn chất lượng cao việc nghiên cứu lựa chọn một cấp phối cốt liệu tối ưu đã đảm bảo cho bê tông đồng thời thoả mãn các yêu cầu sau:

- Cường độ của cốt liệu: Trong bê tông thường, vì lượng nước nhào trộn quá lớn

so với lượng nước cần thiết để xi măng thuỷ hoá hoàn toàn nên đá xi măng và vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu có cấu trúc không đặc chắc, trở thành khâu yếu nhất trong cấu trúc bê tông Do đó, việc lựa chọn một loại cốt liệu nhất định có cường

độ cao là không cần thiết

- Đối với bê tông hạt mịn chất lượng cao, bằng các biện pháp thích hợp có thể làm cho đá xi măng và vùng chuyển tiếp đạt cường độ rất cao, nên khung cốt liệu có cường

độ thấp thì sẽ là khâu yếu nhất trong cấu trúc bê tông Điều này tương tự như trong bê tông nhẹ cốt liệu rỗng Tuy nhiên, với hỗn hợp cốt liệu mịn, các hạt có kích thước bé nên độ đồng đều và cường độ tốt tạo khung hỗn hợp cốt liệu có cường độ cao

- Thành phần hạt của cốt liệu: Cùng với việc tính toán hợp lý thành phần bê tông đảm bảo các hạt bé, các thành phần hạt mịn và siêu mịn đều đầy lỗ rỗng giữa các hạt lớn