Nghiên cứu sử dụng cát nội đồng bãi Trằm làm đường bê tông xi măng trên địa bàn huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên Huế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN MINH HIẾU NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT NỘI ĐỒNG BÃI TRẰM LÀM ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN PHÚ LỘC, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ Chuy

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN MINH HIẾU

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT NỘI ĐỒNG

BÃI TRẰM LÀM ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG

TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN PHÚ LỘC, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 60.58.02.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - năm 2019

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học:

TS HUỲNH PHƯƠNG NAM

Phản biện 1:

PGS.TS Nguyễn Hồng Hải

Phản biện 2:

TS Nguyễn Văn Tươi

Luận văn được vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, họp tại Đại học Đà

Nẵng vào ngày 21 tháng 12 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách Khoa

- Thư viện Trường Đại học Bách Kkhoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Phát triển hệ thống sơ sở hạ tầng, trong đó có hệ thống đường giao thông là nhu cầu cấp bách của nhiều địa phương trong cả nước Để nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật, thi công xây dựng đường bê tông xi măng cần sử dụng tối đa vật liệu tại chỗ nhằm giảm chi phí vận chuyển Cát xây dựng trên địa bàn hiện đang được khai thác chủ yếu dưới các lòng sông vì kích thước hạt lớn, chất lượng tốt, được sử dụng làm cát bê tông, xây, trát Tuy nhiên, theo cảnh báo, nếu khai thác nhiều, không có quy hoạch sẽ ảnh hưởng tới dòng chảy, đất đai và môi trường Chính vì vậy, thời gian gần đây, tỉnh Thừa Thiên Huế và các cơ quan liên quan đã đẩy mạnh hoạt động kiểm soát khai thác cát trên các con sông Hiện nay, nguồn cung cấp cát ngày càng khan hiếm là nguyên nhân đẩy giá cát lên cao Uỷ ban nhân dân tỉnh Thừa Thiên Huế đã giao

Sở Xây dựng xây dựng lộ trình thay thế cát lòng sông trên cơ sở đánh giá trữ lượng một số vật liệu thay thế như: đá mi, cát nhân tạo (cát xay

từ đá)…và cát nội đồng là vật liệu được xem là nguồn thay thế tốt nhất hiện nay [1] Khối lượng cát nội đồng, ven đầm phá Tam Giang được tập trung ở huyện Phú Lộc, Phú Vang, Quảng Điền, Phong Điền có trữ lượng cát mịn rất lớn với trữ lượng dự báo là 1.466.000 m3 [30]

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7570:2006 [19] khuyến cáo cát mịn

có thành phần hạt phù hợp tiêu chuẩn, có mô đun độ lớn từ 0,7 đến 2,0 có thể sử dụng cho bê tông cấp cường độ từ B15 đến B25 Theo tiêu chuẩn của Liên bang Nga GOST 26633-91 (2003) cho phép sử dụng cát có mô đun độ lớn từ 1,0 đến 1,5 chế tạo bê tông cấp cường độ chịu nén B30 Trong khi đó, tiêu chuẩn của các nước Châu Âu và Hoa Kỳ không đưa ra giới hạn cụ thể về cường độ bê tông sử dụng cát mịn [6] Các nghiên cứu

và ứng dụng cát mịn trong sản xuất bê tông đã được triển khai tại nhiều nước trên thế giới từ khá sớm Các kết quả đều cho thấy cát mịn có thể sử dụng để chế tạo bê tông xi măng

Do đó, đề tài “Nghiên cứu sử dụng cát nội đồng bãi Trằm làm đường bê tông xi măng trên địa bàn huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên

Huế” là cần thiết và có cơ sở khoa học

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Mục tiêu chung: Sử dụng cát nội đồng làm cốt liệu mịn thay thế cát tự nhiên trong cấp phối bê tông xi măng

- Mục tiêu cụ thể: đánh giá tính chất cơ lý của cát nội đồng và đề xuất tỷ lệ thay thế cát tự nhiên bằng cát nội đồng để chế tạo mặt đường

bê tông xi măng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Cát nội đồng thuộc bãi Trằm, xã Lộc Thủy, huyện Phú Lộc;

- Bê tông xi măng sử dụng cát nội đồng thay thế cát tự nhiên

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Mặt đường bê tông xi măng cho đường giao thông nông thôn thi công theo công nghệ đầm rung thông thường, sử dụng hỗn hợp bê tông

có độ sụt từ 40 mm đến 60 mm, cường độ chịu nén tới 25 MPa

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

4.1 Nghiên cứu tài liệu

- Tổng quan về mặt đường bê tông xi măng

- Lý thuyết tính toán cấp phối và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của

bê tông

- Lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Đánh giá chất lượng vật liệu trên kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý

- Đánh giá chất lượng của cát nội đồng đến tính chất của hỗn hợp bê tông

- Tiến hành bài toán quy hoạch thực nghiệm với các kết quả thí nghiệm tìm ra cấp phối tối ưu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Nghiên cứu cở sở lý luận và tính hiệu quả để việc sử dụng vật

liệu địa phương, góp phần đa dạng và phong phú các loại vật liệu để chế tạo bê tông đường

- Ý nghĩa thực tiễn của dự án là nghiên cứu vật liệu thay thế cát lòng sông đáp ứng yêu cầu cấp bách của xã hội hiện nay

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung chính của luận văn gồm:

1.1.1.1 Ưu điểm của mặt đường BTXM:

1.1.1.2 Nhược điểm của mặt đường BTXM

1.1.1.3 Yêu cầu kỹ thuật của mặt đường bê tông xi măng [4] 1.1.1.4 Cấp thiết kế của đường (TCVN 4054-2005)

1.1.1.5 Thiết kế mặt đường BTXM thông thường gồm các nội dung sau

- Thiết kế cấu tạo kết cấu mặt đường và cấu tạo lề đường;

- Tính toán chiều dày các lớp kết cấu, xác định kích thước tấm BTXM và xác định các yêu cầu về vật liệu đối với mỗi lớp kết cấu;

- Thiết kế cấu tạo các khe nối;

- Thiết kế hệ thống thoát nước cho kết cấu mặt đường

1.1.1.6 Các chỉ tiêu cơ lý yêu cầu đối với BTXM

1.1.2 Tình hình sử dụng mặt đường bê tông trên thế giới và trong nước:

1.1.2.1 Tình hình sử dụng mặt đường bê tông xi măng trên thế giới

1.1.2.2 Tình hình sử dụng mặt đường BTXM tại Việt Nam

1.1.3 Tình hình sử dụng mặt đường bê tông ở huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên Huế

1.1.3.1 Giới thiệu chung

1.1.3.2 Mạng lưới giao thông trên địa bàn huyện Phú Lộc

1.2 TINH HINH NGHIEN CỨU ỨNG DỤNG CAT NỘI DỒNG (CAT MỊN) TRONG BE TONG

1.2.1 Khái niệm về cát nội đồng

1.2.2 Ứng dụng việc sử dụng cát nội đồng trong xây dựng 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Việc nghiên cứu và sử dụng cát mịn thay thế cho nguồn cát tự nhiên đang dần cạn kiệt đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới, các kết đạt được đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật cho bê tông

Tại Việt Nam cát mịn sử dụng cho bê tông đã được nghiên cứu

và sử dụng trong nhiều công trình tại các vùng thiếu cát tự nhiên đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và đạt được hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao Chính vì vậy, với trữ lượng cát nội đồng ở địa phương, việc nghiên cứu

sử dụng cát mịn cho mặt đường bê tông xi măng tại huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên Huế là hợp lý

CHƯƠNG 2 YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ KẾ

HOẠCH THÍ NGHIỆM 2.1 YÊU CẦU KỸ THUẬT VẬT LIỆU THÀNH PHẦN

2.1.1 Cát chế tạo bê tông và vữa (TCVN 7570:2006) [19]

2.1.2 Cốt liệu lớn (TCVN 7570:2006) [19]

2.1.3 Nước chế tạo bê tông (TCVN 4506 : 2012) [16]

2.1.4 Phụ gia trong xây dựng (TCVN 8826:2011)

2.2.2 Ảnh hưởng của đá xi măng

2.2.3 Ảnh hưởng của cốt liệu (đá dăm và cát tự nhiên)

2.3 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU ĐẦU VÀO

2.3.1 Cát mịn bãi Trằm

Bảng 2.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật của cát mịn

STT Các chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả thí nghiệm

Bảng 2.7 Các chỉ tiêu kỹ thuật của cát sông

STT Các chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả thí nghiệm

Hình 2.3 Biểu đồ thành phần hạt của cát sông

2.3.3 Đá dăm

Bảng 2.9 Các chỉ tiêu kỹ thuật của đá dăm tự nhiên

2.3.4 Xi măng

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG [3] 2.4.1 Khái niệm

2.4.2 Các phương pháp tính toán cấp phối bê tông

Phương pháp 1: Phương pháp tra bảng hoàn toàn

Phương pháp 2: Phương pháp thực nghiệm hoàn toàn

Phương pháp 3: Phương pháp tính toán kết hợp thực nghiệm

2.5 KẾ HOẠCH THÍ NGHIỆM

Để đánh giá ảnh hưởng của cát mịn bãi Trằm đến tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông, nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm một số cấp phối bê tông Học viên học viên đã tiến hành phối trộn các tỷ lệ cát mịn và cát cát sông theo tỷ lệ thay thế cát mịn theo khối lượng lần lượt là 0% (ký hiệu tổ mẫu CM0), 20% (ký hiệu tổ mẫu CM20), 40% (ký hiệu tổ mẫu CM40), 60% (ký hiệu tổ mẫu CM60), 80% (ký hiệu tổ mẫu CM80)

và 100% (ký hiệu tổ mẫu CM100), thành phần cấp phối cho 1m3 bê tông được trình bày ở Bảng 2.12

Bảng 2.12 Thành phần cấp phối cho 1m3 bê tông

Kí hiệu

cấp phối

Lượng dùng vật liệu, kg/m 3

Tỉ lệ N/X

Khi tiến hành kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý của bê tông như: Cường

độ chịu nén của bê tông, cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông và độ mài mòn của bê tông, học viên kiểm tra chất lượng đầu vào của vật liệu, đồng thời đúc các mẫu thử bê tông với kích thước phù hợp với từng chỉ tiêu cơ lý, được cho ở bảng 2.13

2.5.1 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén [21]

Quy trình xác định cường độ chịu nén của bê tông tuân theo tiêu chuẩn TCVN 3118:2011

Công thức xác định cường độ chịu nén của bê tông

Rn= P/F ( MPa )

2.5.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi uốn

Cường độ chịu kéo khi uốn được xác định trên các mẫu dầm kích thước 150x150x600mm với mỗi loại cấp phối được thí nghiệm 1 tổ mẫu, xác định ở tuổi 28 ngày

Cường độ chịu kéo khi uốn của từng mẫu dầm bê tông được xác định theo công thức: Rku = γ.Pku.l/(a.b2), MPa

2.5.3 Thí nghiệm xác định độ mài mòn của bê tông [22]

Chế tạo các viên mẫu có kích thước 50x50x50mm, với mỗi loại cấp phối được thí nghiệm 1 tổ mẫu, xác định ở tuổi 28 ngày

Độ mài mòn của bê tông được xác định theo công thức:

Hình 2.7 Nén mẫu bê tông

2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Các kết quả thí nghiệm kiểm tra chất lượng vật liệu đầu vào đảm bảo các yêu cầu chế tạo bê tông Tác giả tiến hành chế tạo mẫu và kết quả thí nghiệm được trình bày ở chương 3

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT MỊN BÃI TRẰM LÀM MẶT

ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG 3.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN

3.1.1 Cường độ chịu nén của bê tông

3.1.1.1 Kết quả thí nghiệm

a, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát mịn/ cát sông là 0%

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm cường độ nén của cấp phối CM0

Kí hiệu

tổ mẫu

Lượng dùng vật liệu, (kg/m 3 ) Tỉ lệ thay

thế % Cường độ chịu nén, (Mpa), ở tuổi, ngày

Cường độ chịu nén của tổ mẫu CM0 24,12 26,92 28,59

Chú thích: X (xi măng), N (nước), Đ (đá dăm), C s (cát sông), Cm (cát mịn)

b, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát mịn/ cát sông là 20%, ký hiệu CM20

Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm cường độ nén của cấp phối CM20

Cường độ chịu nén của tổ mẫu CM20 23,41 26,28 28,46

c, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát mịn/ cát sông là 40%, ký hiệu CM40

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm cường độ nén của cấp phối CM40

Cường độ chịu nén của tổ mẫu CM40 22,97 26,43 28,34

d, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát mịn/ cát sông là 60%, ký hiệu CM60

Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm cường độ nén của cấp phối CM60

Cường độ chịu nén của tổ mẫu CM60 22,91 26,45 28,40

e, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát mịn/ cát sông là 80%, ký hiệu

g, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát mịn/ cát sông là 100%, ký hiệu CM100

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm cường độ nén của cấp phối CM100

Cường độ chịu nén của tổ mẫu CM100 23,41 25,89 28,09

Từ các kết quả thí nghiệm được tính toán ở trên, học viên tổng hợp giá trị cường độ bê tông phát triển ở các ngày tuổi: 7 ngày, 14 ngày

và 28 ngày của 6 cấp phối CM0, CM20, CM40, CM60, CM80, CM100 như bảng 3.7

Bảng 3.7 Kết quả thí nghiệm cường độ nén của các cấp phối

3.1.1.2 Sự phát triển cường độ chịu nén của bê tông theo thời gian Sự phát triển cường độ nén của bê tông theo thời gian được thể hiện trên hình 3.1

Hình 3.1 Biểu đồ cường độ nén của bê tông phát triển theo thời gian

- Từ hình 3.1 có thể thấy sự phát triển cường độ và ảnh hưởng của tỷ lệ cốt liệu mịn được thay thế tới cường độ nén của bên tông và

sự phát triển cường độ này tuân theo quy luật Logarit như đối với bê tông xi măng thông thường Cường độ bê tông phát triển khá nhanh ở giai đoạn đầu Việc sử dụng cát mịn nội đồng kết hợp với cát sông không làm giảm nhiều tốc độ phát triển cường độ của bê tông

3.1.1.3 So sánh cường độ chịu nén của các cấp phối bê tông

Hình 3.2 Biểu đồ cường độ nén của các cấp phối bê tông ở tuổi 7, 14

sự chênh lệch cường độ này là khá nhỏ

3.1.2 Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông

a, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát mịn/ cát sông là 0%, ký hiệu CM0

Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm cường độ kéo của bê tông CM0

Kí hiệu

tổ mẫu

Lượng dùng vật liệu, (kg/m 3 )

Tỉ lệ thay thế

%

Cường độ kéo khi uốn, MPa, (tuổi ngày)

Cường độ kéo uốn tổ mẫu, (Mpa)

b, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát mịn/ cát sông là 20%, ký hiệu CM20

Bảng 3.9 Kết quả thí nghiệm cường độ kéo của bê tông CM20

Kí hiệu

tổ mẫu

Lượng dùng vật liệu, (kg/m 3 )

Tỉ lệ thay thế %

Cường độ kéo khi uốn, MPa, (tuổi ngày)

Cường độ kéo uốn tổ mẫu, (Mpa)

c, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát mịn/ cát sông là 40%, ký hiệu CM40

Bảng 3.10: Kết quả thí nghiệm cường độ kéo của bê tông CM40

Cường độ kéo uốn tổ mẫu, (Mpa)

%

Cường độ kéo khi uốn, MPa, (tuổi ngày)

Cường độ kéo uốn tổ mẫu, (Mpa)

Cường độ kéo khi uốn, MPa, (tuổi ngày)

Cường độ kéo uốn tổ mẫu, (Mpa)

Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm cường độ kéo của bê tông CM100

Cường độ kéo uốn tổ mẫu, (Mpa)

Cường độ kéo uốn

tổ mẫu, MPa, (tuổi ngày)

Hình 3.3 Biểu đồ cường độ chịu kéo uốn của bê tông

- Từ hình 3.3, nhận thấy cường độ chịu kéo khi uốn của các tổ mẫu bê tông có sự thay đổi không lớn khi hàm lượng cát mịn tăng lên, khoảng dao động từ 3,56 MPa đến 3,6 MPa

3.1.3 Độ mài mòn của bê tông

Bảng 3.15 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm mài mòn của bê tông

Kí hiệu

tổ mẫu

Lượng dùng vật liệu, (kg/m 3 )

Tỉ lệ thay thế

%

Độ mài mòn, (g/cm 2 )

CM20 306 170,0 836,8 427,1 106,8 20 0,278 CM40 306 170,0 836,8 320,3 213,6 40 0,268 CM60 306 170,0 836,8 213,6 320,3 60 0,281 CM80 306 170,0 836,8 106,8 427,1 80 0,235

CM100 306 170,0 836,8 0 533,9 100 0,315

Hình 3.4 Biểu đồ độ mài mòn của bê tông

- Từ hình 3.4, nhận thấy độ mài mòn bề mặt của các tổ mẫu bê tông có sự thay đổi khi hàm lượng cát mịn thay đổi

3.2 LỰA CHỌN CẤP PHỐI TỐI ƯU VỚI CÁT MỊN BÃI TRẰM

Cát mịn bãi Trằm ở huyện Phú Lộc có trữ lượng lớn, cát có đặc điểm mô đun độ lớn của cát lớn, hàm lượng bụi bẩn ít, hạt đồng đều và

có phần góc cạnh Từ các kết quả thí nghiệm cường độ nén, cường độ kéo uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông, nhận thấy việc sử dụng cát mịn nội đồng trong chế tạo bê tông xi măng cho đường là giải pháp đem lại hiệu quả kinh tế xã hội

Tuy nhiên, đôi khi sử dụng cát mịn ảnh hưởng tiêu cực đến độ mài mòn của bê tông Đó là do để duy trì tính công tác tương đương như khi sử dụng cát thô, cần tăng lượng nước nhào trộn Nhưng trong

đề tài, học viên đã giữ nguyên lượng dùng xi măng, điều này làm giảm

tỷ lệ xi măng trên nước, khiến cường độ và khả năng chống mài mòn bị suy giảm, cụ thể như các số liệu thực nghiệm đã được trình bày ở trên

Cường độ chịu nén và chịu kéo uốn của bê tông sử dụng cát mịn khi thay thế ở tỷ lệ 40%-60% cho giá trị tối ưu nhất Điều này phù hợp với các kết luận của các tác giả Hoàng Minh Đức [5,6,7], Li, Shu-t’ien and Ramakrishan [31] Trong đó mức tối ưu đối với cường độ chịu nén nhỏ hơn đối với cường độ chịu kéo khi uốn ở tỷ lệ 60%

Có thể thấy rằng, để duy trì đồng thời tỷ lệ X/N và tính công tác khi sử dụng cát mịn nội đồng, cần phải sử dụng các biện pháp công nghệ như sử dụng hoặc tăng lượng dùng phụ gia giảm nước

Theo quy định hiện hành [4], độ mài mòn của bê tông cho mặt đường bê tông xi măng cao tốc cấp I, cấp II, cấp III phải không lớn hơn 0,3 g/cm2 và cho mặt đường bê tông xi măng cấp IV trở xuống không lớn hơn 0,6 g/cm2 Kết quả thí nghiệm độ mài mòn cho thấy các cấp phối bê tông sử dụng cát mịn đều đáp ứng được yêu cầu đối với độ mài mòn khi áp dụng làm mặt đường bê tông xi măng

Ngoài ra, thành phần hạt của hỗn hợp cát (40% cát sông và 60% cát mịn) nằm trong phạm vi quy định của TCVN 7570:2006, được thể hiện ở Hình 3.5

Hình 3.5 Biểu đồ thành phần hạt của cát (40% cát sông và 60% cát mịn)

Từ các kết quả trên, cấp phối tối ưu được lựa chọn là cấp phối có