Luận án được thực hiện nghiên cứu với mục đích nhằm làm rõ các tính chất cơ lý chủ yếu của bê tông đầm lăn, để áp dụng cho các công trình đường giao thông trên cơ sở nguyên vật liệu, thiết bị sẵn có trong điều kiện khí hậu ở Việt Nam. Để biết rõ hơn về nội dung chi tiết, mời các bạn cùng tham khảo.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
NGUYỄN THỊ THU NGÀ
NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ CHỦ YẾU CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN TRONG TÍNH
TOÁN KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG
Ô TÔ VÀ SÂN BAY
Chuyên ngành : Xây dựng đường ôtô và đường thành phố
Mã số : 62.58.02.05
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – 2016
Trang 2Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải
Người hường dẫn khoa học:
- GS.TS Phạm Huy Khang
- GS.TS Bùi Xuân Cậy
Phản biện 1: GS TSKH Nguyễn Xuân Trục
Phản biện 2: GS TS Vũ Đình Phụng
Phản biện 3: GS TS Phạm Cao Thăng
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại: ……… vào hồi giờ ngày tháng năm 2016
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải
Trang 4CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
[1] Nguyễn Thị Thu Ngà (2014), Thiết kế cấp phối các cốt liệu trong bê tông đầm lăn theo các tiêu chuẩn tối ưu, Tạp chí Cầu đường Việt Nam số 4
[2] Nguyễn Thị Thu Ngà, Phạm Huy Khang, Bùi Xuân Cậy (2015), Khái quát các phương pháp thiết kế bê tông đầm lăn trong xây dựng đường ở Việt Nam, Tạp chí Cầu đường Việt Nam số 1-2
[3] Nguyễn Thị Thu Ngà (2015), Nghiên cứu các yếu tố chính ảnh hưởng đến tính công tác của bê tông đầm lăn bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm, Tạp chí Cầu đường Việt Nam số 5
[4] Nguyễn Thị Thu Ngà (2015), Đánh giá độ tin cậy trong đo lường cường
độ chịu nén của bê tông đầm lăn, Tạp chí Cầu đường Việt Nam số 11
[5] Nguyễn thị Thu Ngà, Nguyễn Anh Tuấn (2015), Nghiên cứu thực nghiệm tính co ngót của bê tông đầm lăn, Tạp chí Giao thông vận tải số 10
[6] Nguyen Thi Thu Nga, Vu Quoc Vuong (2016), Influence of some key factors on workability of RCC by experimental planing method, ACF
Magazine Vol 2
[7] Nguyen Thi Thu Nga, Pham Huy Khang, Vu Quoc Vuong (2016), influence of some key factors on coefficient of thermal expansion of roller compacted concrete in Viet Nam, the 7th International Conference of Asian Concrete Federation (ACF)
Trang 51 Đặt vấn đề
Trong quá trình phát triển với sự xuất hiện của nhiều vật liệu mới và công nghệ thi công liên tục được cải tiến đã thúc đẩy sự ra đời của nhiều loại mặt đường, trong đó phải kể đến công nghệ bê tông đầm lăn Bê tông đầm lăn (BTĐL) là bê tông không có
độ sụt được đầm chặt bằng lu rung với thành phần tương tự như bê tông xi măng Giống như với BTT, các thành phần vật liệu của BTĐL gồm: chất kết dính, cốt liệu, nước và phụ gia hóa học Phụ gia khoáng trong chất kết dính có vai trò quan trọng trong việc cải thiện các tính chất của bê tông và thỏa mãn các yêu cầu cần thiết trong qui trình thi công Trong tình hình kinh tế suy thoái như hiện nay, làm đường bê tông
là một giải pháp kích cầu mà Đảng và Nhà nước ta khuyến khích Điều này không chỉ thúc đẩy ngành xi măng trong nước phát triển, tạo việc làm cho người lao động mà còn giảm nhập siêu nhựa đường Vì vậy, từ thực tế này cho thấy việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ BTĐL vào trong xây dựng giao thông là thực sự cần thiết, góp phần giảm giá thành đầu tư công trình mà vẫn đảm bảo tốt chất lượng
2 Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là làm rõ các tính chất cơ lý chủ yếu của BTĐL,
để áp dụng cho các công trình đường giao thông trên cơ sở nguyên vật liệu, thiết bị sẵn
có trong điều kiện khí hậu ở Việt Nam
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu BTĐL để ứng dụng trong xây dựng đường giao thông ở Việt Nam Phạm vi nghiên cứu là lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần, xác định một số tính chất cơ bản của BTĐL trong phòng thí nghiệm
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ ỨNG DỤNG TRONG
XÂY DỰNG ĐƯỜNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
Mục đích của chương này nhằm đánh giá tình hình nghiên cứu, ứng dụng vật liệu
bê tông đầm lăn trong nước và trên thế giới, từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu của luận án cho ứng dụng trong xây dựng đường ở Việt Nam
1.1 Khái niệm về bê tông đầm lăn
1.1.1 Quá trình hình thành cường độ
Quá trình hình thành cường độ của BTĐL cũng tương tự như BTT, cơ bản dựa trên quá trình hình thành cường độ của đá xi măng Theo thuyết Baikov – Rebinder, sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng và cường độ của nó diễn ra theo các giai đoạn như giai đoạn hòa tan, giai đoạn hóa keo và giai đoạn kết tinh Bên cạnh đó, lực chấn động cũng là yếu tố quan trọng khác góp phần hình thành nên cường độ cho BTĐL
1.1.2 Đặc điểm của BTĐL
1.1.2.1.Thành phần vật liệu
Bê tông đầm lăn sử dụng trong xây dựng đường và đập về cơ bản có thành phần vật liệu giống nhau (gồm đá, cát, xi măng, phụ gia khoáng và nước), tuy nhiên về hàm lượng các thành phần trong hỗn hợp thì lại phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật của mỗi
Trang 62 loại công trình Theo [76] thì yêu cầu về vật liệu cho BTĐL có những đặc điểm như trong bảng 1.1
Bảng 1.1 Đặc điểm chính của BTĐL
Thành phần Trong xây dựng đập Trong xây dựng đường
Lượng chất kết dính (kg/m3) 60 250
Tỷ lệ N/CKD 0,4 0,8 0,3 0,4 Đường kính của cốt liệu lớn (mm) 75 20
Cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi
Độ công tác (sec.) 10 25 30 60
1.1.2.2 Phương pháp thiết kế cấp phối
Hiện nay có rất nhiều PPTK thành phần bê tông đã được đề xuất và ứng dụng trên toàn thế giới cho hỗn hợp BTĐL Do vậy, rất khó để xác định phương pháp nào
để làm chuẩn, tuy nhiên có hai quan điểm thiết kế hỗn hợp BTĐL chính như sau:
- Quan điểm bê tông: dựa vào tỷ lệ N/CKD được giữ không đổi và hỗn hợp trộn được xác định bằng khối lượng tuyệt đối
- Quan điểm cơ học đất: dựa vào mối quan hệ giữa chất kết dính, cốt liệu và hỗn hợp được trộn xác định bởi độ ẩm tối ưu và tỷ trọng khô lớn nhất
Dù thiết kế theo bất kỳ phương pháp nào thì mục đích chính của việc thiết kế BTĐL đều phải đảm bảo các yếu tố như:
- Có đủ lượng vữa cần thiết để bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu và lấp đầy
lỗ rỗng giữa chúng
- Có thể chế tạo được BTĐL với cường độ và mô đun đàn hồi theo yêu cầu
- Khả năng thi công dễ dàng để đạt được độ chặt như yêu cầu và có tuổi thọ công trình cao
1.1.3 Những điểm khác nhau cơ bản giữa BTT và BTĐL
1 Cấp phối vật liệu:
- BTT: cốt liệu lớn và nhỏ thường chiếm từ 60% 75% thể tích hỗn hợp (TTHH); tỷ lệ N/XM dao động trong khoảng 0,4 0,45, làm vữa xi măng đủ ướt để tạo nên một lớp bao bọc lấy các cốt liệu và nhét đầy các lỗ rỗng giữa chúng
- BTĐL: cấp phối cốt liệu được yêu cầu chặt chẽ hơn và thường chiếm từ 75% 85% TTHH; hỗn hợp thường trộn khô hơn so với BTT do lượng dùng nước thấp hơn
So sánh hàm lượng các vật liệu trong BTĐL và BTT như trong hình 1.6
Trang 7Hình 1.6 Biểu đồ vật liệu sử dụng trong BTĐL và BTT [74]
- BTĐL: là HHBT cứng, tính công tác được xác định bằng chỉ số Vebe (tính bằng giây - s) Do HHBT có nội lực ma sát và lực dính kết lớn, có giá trị ứng suất cắt lớn, nên khi đổ khuôn và đầm chặt nhất thiết phải có tác dụng cơ học mạnh
3 Đặc điểm thi công
Hình 1.7 Hình ảnh thi công mặt đường BTĐL [74]
3 Đặc điểm chịu lực
Trang 81.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTĐL trong công trình xây dựng đường ô
tô và sân bay
1.2.1 Trên thế giới
1.2.1.1 Lịch sử ra đời và quá trình phát triển
Theo số liệu thống kê [69], đến năm 1998 trên thế giới có 184 đập BTĐL (cao hơn 15m) được xây dựng xong với tổng khối lượng bê tông là 57 triệu m3 Các đập này tập trung ở 28 quốc gia (hình 1.9)
Trang 9Hình 1.9 Số lượng đập BTĐL (cao trên 15m) được xây dựng tại một số quốc gia
trên thế giới tính tới 1998 [69]
Lịch sử phát triển công nghệ bê tông đầm lăn ở một số nước được minh họa trong sơ đồ hình 1.10
Hình 1.10 Sơ đồ lịch sử phát triển công nghệ bê tông đầm lăn làm mặt đường,
mặt bãi theo [74]
1.2.1.2 Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng
1 Công trình nghiên cứu “Hướng dẫn thiết kế & thi công mặt đường bê tông đầm lăn” của trung tâm công nghệ mặt đường bê tông quốc gia thuộc viện giao thông trường đại học IOWA – Mỹ, 2011[74]
2 Công trình nghiên cứu mặt đường bê tông đầm lăn của Viện bê tông Hoa kỳ (ACI) , năm 1995 [33]
Trang 105 Công trình nghiên cứu mặt đường bê tông đầm lăn cho giao thông theo dự án phát triển của chính phủ Ấn Độ, của trung tâm thí nghiệm thuộc ngành công trình trường đại học Purdue, 11/2010, [64]
1.2.2 Tại Việt Nam
1.2.2.1 Thực trạng ứng dụng BTĐL
Được áp dụng lần đầu tiên cho đập Pleikrong (Kontum) vào năm 2005, đến nay hàng chục công trình đập đã và đang được xây dựng ở VN với công nghệ này (bảng 1.2)
Bảng 1.2 Một số công trình đập đã được xây dựng ở trong nước
Tên công trình
Năm khởi công
Tên công trình Năm khởi
công
Pleikrong 2003 Định Bình 2005
AVương 2003 Sông Tranh 2006
Bản Vẽ 2004 Bản Chát 2006
Sê San 4 2004 Dakmi4 2007
Đồng Nai 3 2004 Sông Bung 4 2010
Đồng Nai 4 2004 Lai Châu 2011
Sơn La 2005 Trung Sơn 2013
Trong khi đó, công nghệ thi công mặt đường bằng BTĐL cũng đã được nghiên cứu thử nghiệm ở Việt Nam từ năm 2001 với khoảng 2.000m2 tại thị xã Bắc Ninh ( chiều dầy tấm là 20cm; mác 350/45) (hình 1.12)
Hình 1.12 Thi công thử nghiệm mặt đường BTĐL - IBST thực hiện
2001[13]
Năm 2013, một nhóm tác giả nghiên cứu đã ứng dụng công nghệ BTĐL cho thi công đường giao thông nông thôn ở tỉnh Tây Ninh Kết quả thu được từ việc ứng dụng
Trang 11công nghệ này đã đem đến những kết quả rất khả quan Trên cơ sở đó, đến tháng 12/2015 đã có những quy định tạm thời về thiết kế và thi công BTĐL trong xây dựng công trình giao thông
1.2.2.2 Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu và ứng dụng BTĐL
1 Công trình nghiên cứu của TS Nguyễn Quang Hiệp – Viện Khoa học Công nghệ và Xây dựng [13]
2 Công trình nghiên cứu của TS Phạm Hữu Hanh [11]
3 Công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ thi công kết cấu mặt đường bằng
bê tông đầm lăn cho hạ tầng giao thông, đề tài cấp Bộ của Bộ Xây Dựng năm 2013 của nhóm tác giả KS Lê Xuân Thủy, ThS Nguyễn Hữu Duy, KS Trần Minh Đức và
KS Huỳnh Thanh Sơn – Tổng công ty vật liệu xây dựng số 1[9]
4 Theo quy định tạm thời số 4452/QĐ -BGTVT về thiết kế và thi công mặt đường BTĐL [29]
1.2.2.3 Tiềm năng ứng dụng công nghệ BTĐL
Hiệu quả áp dụng
Về kinh tế: hiệu quả lớn nhất mà công nghệ thi công BTĐL đem lại là rút ngắn thời gian thi công, sớm đưa công trình vào khai thác sử dụng, ngoài ra công nghệ này cho phép giảm giá thành vật liệu đáng kể làm giảm tổng vốn đầu tư
Về kỹ thuật: khi áp dụng công nghệ BTĐL cho xây dựng các công trình khối lớn cho phép giảm nhiệt thuỷ hoá nhờ giảm được lượng dùng xi măng, vì vậy giảm được nguy cơ nứt khối bê tông do ứng suất nhiệt
Về môi trường: nhờ việc giảm lượng dùng xi măng trong BTĐL và có thể thay thế một phần bằng PGK giúp giảm mức tiêu hao năng lượng và ô nhiễm môi trường
do ngành công nghiệp sản xuất xi măng gây nên
1.3 Các thông số chủ yếu của vật liệu bê tông cho thiết kế mặt đường ô tô và đường sân bay ở Việt Nam
a Cường độ của bê tông
b Mô đun đàn hồi của bê tông (E đh )
c Độ co ngót và giãn nở
d Độ mài mòn
1.4 Những vấn đề tồn tại luận án cần giải quyết
Như đã phân tích, trên thế giới nghiên cứu về ứng dụng công nghệ BTĐL trong xây dựng nói chung và trong xây dựng đường ô tô và đường sân bay nói riêng đã được triển khai từ khá lâu Hầu hết các vấn đề nghiên cứu từ vật liệu, tính chất, phạm vi áp dụng và công nghệ thi công đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong thực tế Trong xây dựng đường ở một số nước trên thế giới như Mỹ, Canada, Anh, Trung Quốc, Nhật Bản và Ấn Độ BTĐL đã được ứng dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả rõ rệt trong các công trình như: làm mặt đường cấp thấp, lề đường cấp cao, tại các nút giao thông, các sân kho bãi đỗ Tại Việt Nam công nghệ này còn khá mới mẻ, chỉ có một số đoạn đường đã ứng dụng, nhưng vẫn chỉ dừng ở mức độ thăm dò, chưa làm rõ
Trang 128 các tính chất đặc trưng cơ lý của vật liệu BTĐL Trong khi đó về tiềm năng ứng dụng công nghệ này ở Việt Nam là rất khả quan Tuy nhiên, để ứng dụng BTĐL cần căn cứ trên những yêu cầu cơ bản để đáp ứng cho công tác xây dựng đường ô tô và đường sân bay, cần thiết phải nghiên cứu các tính chất cơ bản của nó
Vì vậy, tác giả chọn tên luận án có nội dung như sau: “Nghiên cứu các thông số
chủ yếu của bê tông đầm lăn trong tính toán kết cấu mặt đường ô tô và sân bay” Để
từ đó làm sáng tỏ các tính chất chính của BTĐL cho việc ứng dụng chúng vào trong xây dựng đường ở Việt Nam, nó xuất phát từ yêu cầu thực tế Điều này sẽ không những góp phần làm phong phú thêm sự lựa chọn kết cấu áo đường trong xây dựng mà còn góp phần khẳng định sự hội nhập của ngành giao thông Việt Nam trong sự phát triển công nghệ bê tông trên thế giới Hơn thế nữa, việc ứng dụng công nghệ BTĐL sẽ
là động lực kích cầu cho việc tiêu thụ lượng xi măng và tro bay dồi dào trong nước, đồng thời sẽ giảm nhập siêu trong việc nhập khẩu hàng trăm tấn nhựa hàng năm Trong phạm vi luận án này, tác giả chủ yếu tập trung nghiên cứu một số tính chất chính của BTĐL như cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn, độ co ngót và độ giãn nở khi nhiệt độ thay đổi Trên cơ sở đó phân tích được khả năng ứng dụng của vật liệu này trong công tác xây dựng đường ô tô và đường sân bay
1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
1.5.1 Mục tiêu
- Xây dựng được phương trình quan hệ các yếu tố ảnh hưởng đến độ công tác và cường độ chịu nén của BTĐL;
- Đánh giá một số tính chất chủ yếu của BTĐL để phục vụ cho thiết kế đường ô
tô và đường sân bay;
- Đề xuất khả năng ứng dụng của BTĐL trong thiết kế và thi công áo đường cứng
ở Việt Nam
1.5.2 Nội dung
- Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng BTĐL;
- Nghiên cứu lựa chọn thành phần hạt (TPH) hợp lý trên cơ sở các phương pháp thiết kế TPH tối ưu, đồng thời đưa ra được mức ngậm cát hợp lý;
- Nghiên cứu phương pháp thiết kế cấp phối BTĐL;
- Nghiên cứu xác định một số tính chất cơ lý chính của BTĐL cho ngành xây dựng đường trong điều kiện khí hậu Việt Nam;
- Đề xuất các ứng dụng của BTĐL trong xây dựng đường ô tô và đường sân bay ở Việt Nam
1.6 Phương pháp nghiên cứu
Trong nghiên cứu, tác giả của luận án sử dụng các phương pháp sau:
- Phương pháp thống kê, tổng hợp: thu thập, phân tích các nghiên cứu về BTĐL trên thế giới;
- Phương pháp phân tích, so sánh, đánh giá
- Phương pháp nghiên cứu thí nghiệm trong phòng
Trang 13CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ
THÀNH PHẦN BÊ TÔNG ĐẦM LĂN 2.1 Nghiên cứu vật liệu sử dụng
2.1.1 Cốt liệu lớn và nhỏ
2.1.1.1 Cốt liệu lớn
2.1.1.2 Cốt liệu nhỏ
2.1.1.3 Lựa chọn hợp lý cấp phối các cốt liệu
Cốt liệu chiếm từ 75% 85% tổng thể tích của hỗn hợp BTĐL, lựa chọn thích hợp loại cốt liệu, thành phần hạt sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của hỗn hợp
bê tông như cường độ chịu nén, tính thấm, tuổi thọ và giá thành Vì vậy, việc thiết kế tối ưu cấp phối cốt liệu là một phần thiết yếu để thiết kế tối ưu hóa hỗn hợp bê tông Shilstone đã phát triển 4 phương pháp (nội dung chi tiết các phương pháp trong phụ lục A)
1 Dựa vào thể tích của cốt liệu, không căn cứ vào khối lượng
2 Biểu đồ lượng sót riêng biệt trên các cỡ sàng (Percent Retained Chart)
3 Đồ thị hệ số thô (Coarseness Factor Chart)
4 Đồ thị 0.45 Power Chart
Bên cạnh đó còn rất nhiều phương pháp thiết kế tối ưu thành phần hạt như ASTM C33, ACI 211 Mặc dù vậy, thiết kế tối ưu theo cách thức nào thì cũng dựa trên những nguyên tắc chung như:
- Với mỗi cấp phối các cốt liệu sẽ tương ứng với một lượng chất kết dính nhất định, có một hỗn hợp tối ưu với tỷ lệ nước và chất kết dính là thấp nhất và tạo ra hỗn hợp có cường độ cao nhất
- Trong hỗn hợp tối ưu, sự cản trở của các hạt vật liệu là tối thiểu do đó đáp ứng tốt với đầm rung có biên độ và tần số cao
- Hỗn hợp tối ưu không được sử dụng cho mọi công trình xây dựng do sự thay đổi thể những nhu cầu trong quá trình thi công và hoàn thiện
Bảng 2.3 Thành phần hạt cốt liệu cát và đá dăm
Cỡ sàng
(mm)
Lượng lọt sàng (%) Lượng lọt sàng (%) ASTM C33
Cốt liệu
đá Sunway
Trang 14Xét theo tiêu chuẩn 0.45 Power Chart (Fuller - Thompson)
Bảng 2.4 Kết quả tính toán chi tiết các cấp phối cốt liệu theo từng mức ngậm cát
5 8,3 4,1 4,15 4,25 4,35 4,45 4,55 4,65 4,75
Xét theo chỉ số độ thô ( Coarsness Factor):