Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia hóa học và phụ gia khoáng để tăng cường độ tuổi sớm và tính dễ thi công của bê tông xi măng dùng cho áo đường cứng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  PHẠM TRỌNG TRÍ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG PHỤ GIA HOÁ HỌC VÀ PHỤ GIA KHOÁNG ĐỂ TĂNG CƯỜNG ĐỘ TUỔI SỚM VÀ TÍNH DỄ THI CÔNG CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG DÙNG CHO ÁO ĐƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



PHẠM TRỌNG TRÍ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG PHỤ GIA HOÁ HỌC VÀ PHỤ GIA KHOÁNG ĐỂ TĂNG CƯỜNG ĐỘ TUỔI SỚM VÀ TÍNH

DỄ THI CÔNG CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG DÙNG

CHO ÁO ĐƯỜNG CỨNG

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

Mã số ngành: 60 58 30

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Lê Anh Tuấn

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS Nguyễn Mạnh Tuấn ………

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày tháng năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KT XÂY DỰNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHẠM TRỌNG TRÍ MSHV: 12144602 Ngày, tháng, năm sinh: 17/11/1979 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Xây dựng Đường Ô tô và Đường Thành phố Mã số : 60.58.30

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG PHỤ GIA HOÁ HỌC VÀ PHỤ GIA KHOÁNG ĐỂ TĂNG CƯỜNG ĐỘ TUỔI SỚM VÀ TÍNH DỄ THI CÔNG

CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG DÙNG CHO ÁO ĐƯỜNG CỨNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Chương 2 : Cơ sở khoa học

Chương 3 : Nguyên vật liệu và phương pháp thí nghiệm

Chương 4 : Thực nghiệm và đánh giá kết quả thí nghiệm

Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển của đề tài

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày 07 tháng 07 năm 2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày 07 tháng 12 năm 2014

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

Cán bộ hướng dẫn 1: TS LÊ ANH TUẤN

Cán bộ hướng dẫn 2: TS NGUYỄN MẠNH TUẤN

Tp HCM, ngày tháng 12 năm 2014

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS Lê Anh Tuấn TS Nguyễn Mạnh Tuấn

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa Thành phố

Hồ Chí Minh, Em đã được học tập và nghiên cứu trong môi trường hiện đại, đầy đủ tiện nghi; được các Thầy cô nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu Những kiến thức đó giúp em vận dụng vào cuộc sống, công việc của mình, đồng thời

nó cũng không thể thiếu để giúp em hoàn thành Luận văn Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Nhà trường và tất cả quý Thầy Cô

Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn Luận văn, Thầy TS Lê Anh Tuấn, Thầy TS Nguyễn Mạnh Tuấn, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cho em những kiến thức sâu rộng trong suốt quá trình thực hiện Luận văn Sự quan tâm chỉ bảo và hướng dẫn thường xuyên của các Thầy là động lực rất lớn giúp Em hoàn thành tốt Luận văn

Xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ về trang thiết bị của Phòng Thí nghiệm Vật liệu Xây dựng Trường Đại học Bách Khoa, Trạm bê tông FICO Hiệp Phước và sự hỗ trợ cộng tác nhiệt tình của các em Sinh viên ngành Vật liệu và ngành xây dựng K2010, K2011 Những hỗ trợ và giúp đỡ này đã giúp cho nghiên cứu của Em hoàn thành thuận lợi

Xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp - những người đã không ngừng động viên, ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho Em trong suốt quá trình học tập

và thực hiện hoàn thành Luận văn của mình

Xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các loại phụ gia hóa học và phụ gia khoáng ảnh hưởng đến thời gian ninh kết, cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo dùng cho áo đường cứng Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia hóa học sử dụng phụ gia hóa học siêu dẻo gốc Lignosulphonate, Polymer sulphonate Melamine, Sodium Naphthalene Lignosulphonate với hàm lượng 0,5-1,5%, phụ gia khoáng Silicafume hàm lượng 5-15%, Tro bay hàm lượng 10-30% và

sử dụng kết hợp hàm lượng phụ gia hóa học siêu dẻo trên và phụ gia khoáng Silicafume 10% có tác dụng thay đổi thời gian ninh kết, giảm nước và thay đổi cường độ chịu nén và chịu uốn của bê tông áo đường cứng

Qua kết quả thực nghiệm cho thấy khi sử dụng phối hợp phụ gia hóa học siêu dẻo gốc Lignosulphonate 1-1,5%, Polymer gốc sulphonate Melamine 0,5% và phụ gia khoáng silicafume 10% cho kết quả thời gian bắt đầu ninh kết đạt 190-240 phút, thời gian kết thúc ninh kết đạt 240-310 phút, thời gian ninh kết 50-70 phút, giảm 45-65 phút so với mẫu không sử dụng phụ gia (thời gian bắt đầu ninh kết 225 phút, thời gian kết thúc ninh kết 340 phút, thời gian ninh kết 115 phút); Cường độ chịu nén 01 ngày tuổi đạt 120-150 kG/cm2 (mẫu không sử dụng phụ gia đạt 95 kG/cm2), đạt 40-50% cường độ thiết kế; Cường độ chịu nén 3 ngày tuổi đạt 220-230 kG/cm2

(mẫu không sử dụng phụ gia đạt 157 kG/cm2), đạt 72-76% cường độ thiết kế; Cường độ chịu nén 7 ngày đạt 270-290 kG/cm2 (mẫu không sử dụng phụ gia đạt

185 kG/cm2), đạt 95% cường độ thiết kế và cường độ chịu nén 28 ngày đạt 350-370 kG/cm2 (mẫu không sử dụng phụ gia đạt 320 kG/cm2), đạt 115-120% cường độ thiết

kế Cường độ chịu uốn 28 ngày tuổi đạt 42-44 kG/cm2

(mẫu không sử dụng phụ gia đạt 39 kG/cm2

), đạt 105-110% cường độ thiết kế;

Các kết quả nêu trên tối ưu được các chỉ tiêu cơ lý như thời gian đông kết, cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn của bê tông xi măng dùng cho áo đường cứng, đảm bảo theo quy trình thiết kế, thi công dùng cho đường giao thông

ABSTRACT

In this research, the influence of chemical and mineral admixture on setting time and early compressive strength and flexural strength on concrete pavement is investigated The content of chemical admixture in range of 0.5 – 1.5% is used On the other hand, the effect of chemical admixture on setting time, setting time and plasticizer, early setting time is focused Besides, the influences of silica fume and fly ash range of 5-30% on setting time and strength of pavement concrete are also considered Moreover, the mixing of chemical and mineral admixture is investigated

The results are shown that the type of chemical admixture and mineral admixture is affected on setting time and strength of concrete pavement The suitable mix proportion with 0,5-1,5% chemical admixture and 10% silica fume can

be shown an initial setting time with 190-240 minutes, final setting time with

240-310 minutes In the case of strength, the compressive strengths are 220-230 kG/cm2,

270 kG/cm2, 350-360 kG/cm2 for 3 days, 7 days and 28 days, respectively Besides, the flexural strength is about 42 – 44 kG/cm2 at 28 days They are suitable for strength of concrete pavement

The research is indicated that the using of mixing chemical admixture and mineral admixture can be optimum for design of concrete pavement Hence, the setting time and early strength can be decreased on time and cost for design

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Phạm Trọng Trí

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các loại phụ gia hóa học và phụ gia khoáng ảnh hưởng đến thời gian ninh kết, cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo dùng cho áo đường cứng Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia hóa học sử dụng phụ gia hóa học siêu dẻo gốc Lignosulphonate, Polymer sulphonate Melamine, Sodium Naphthalene Lignosulphonate với hàm lượng 0,5-1,5%, phụ gia khoáng Silicafume hàm lượng 5-15%, Tro bay hàm lượng 10-30% và

sử dụng kết hợp hàm lượng phụ gia hóa học siêu dẻo trên và phụ gia khoáng Silicafume 10% có tác dụng thay đổi thời gian ninh kết, giảm nước và thay đổi cường độ chịu nén và chịu uốn của bê tông áo đường cứng

Qua kết quả thực nghiệm cho thấy khi sử dụng phối hợp phụ gia hóa học siêu dẻo gốc Lignosulphonate 1-1,5%, Polymer gốc sulphonate Melamine 0,5% và phụ gia khoáng silicafume 10% cho kết quả thời gian bắt đầu ninh kết đạt 190-240 phút, thời gian kết thúc ninh kết đạt 240-310 phút, thời gian ninh kết 50-70 phút, giảm 45-65 phút so với mẫu không sử dụng phụ gia (thời gian bắt đầu ninh kết 225 phút, thời gian kết thúc ninh kết 340 phút, thời gian ninh kết 115 phút); Cường độ chịu nén 01 ngày tuổi đạt 120-150 kG/cm2 (mẫu không sử dụng phụ gia đạt 95 kG/cm2), đạt 40-50% cường độ thiết kế; Cường độ chịu nén 3 ngày tuổi đạt 220-230 kG/cm2

(mẫu không sử dụng phụ gia đạt 157 kG/cm2), đạt 72-76% cường độ thiết kế; Cường độ chịu nén 7 ngày đạt 270-290 kG/cm2 (mẫu không sử dụng phụ gia đạt

185 kG/cm2), đạt 95% cường độ thiết kế và cường độ chịu nén 28 ngày đạt 350-370 kG/cm2 (mẫu không sử dụng phụ gia đạt 320 kG/cm2), đạt 115-120% cường độ thiết

kế Cường độ chịu uốn 28 ngày tuổi đạt 42-44 kG/cm2

(mẫu không sử dụng phụ gia đạt 39 kG/cm2

), đạt 105-110% cường độ thiết kế;

Các kết quả nêu trên tối ưu được các chỉ tiêu cơ lý như thời gian đông kết, cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn của bê tông xi măng dùng cho áo đường cứng, đảm bảo theo quy trình thiết kế, thi công dùng cho đường giao thông

ABSTRACT

In this research, the influence of chemical and mineral admixture on setting time and early compressive strength and flexural strength on concrete pavement is investigated The content of chemical admixture in range of 0.5 – 1.5% is used On the other hand, the effect of chemical admixture on setting time, setting time and plasticizer, early setting time is focused Besides, the influences of silica fume and fly ash range of 5-30% on setting time and strength of pavement concrete are also considered Moreover, the mixing of chemical and mineral admixture is investigated

The results are shown that the type of chemical admixture and mineral admixture is affected on setting time and strength of concrete pavement The suitable mix proportion with 0,5-1,5% chemical admixture and 10% silica fume can

be shown an initial setting time with 190-240 minutes, final setting time with

240-310 minutes In the case of strength, the compressive strengths are 220-230 kG/cm2,

270 kG/cm2, 350-360 kG/cm2 for 3 days, 7 days and 28 days, respectively Besides, the flexural strength is about 42 – 44 kG/cm2 at 28 days They are suitable for strength of concrete pavement

The research is indicated that the using of mixing chemical admixture and mineral admixture can be optimum for design of concrete pavement Hence, the setting time and early strength can be decreased on time and cost for design

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Phạm Trọng Trí

MỤC LỤC

Trang CHƯƠNG 1

1.2.1.1 Tình hình ứng dụng đường bê tông xi măng ở các trên thế giới 2 1.2.1.2 Sự phát triển mặt đường bê tông xi măng ở Việt Nam 3 1.2.2 Đánh giá ưu nhược điểm mặt đường bê tông xi măng 6

1.2.2.3 Giải pháp đề xuất hạn chế khắc phục những nhược điểm đường

bê tông xi măng

7

1.3.1 Lịch sử nghiên cứu và sử dụng phụ gia bê tông trên thế giới 8

1.4 Các loại phụ gia hóa học tăng cường độ tuổi sớm và tính dễ thi công 10

1.4.1.1 Chất tăng dẻo giảm nước (phụ gia hoạt tính bề mặt) 10

2.2 Cơ chế đóng rắn bê tông trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam 23

2.2.2 Giai đoạn hình thành cấu trúc đông tụ 24 2.2.3 Giai đoạn hình thành cấu trúc ban đầu 25 2.2.4 Giai đoạn hình thành cấu trúc đóng rắn 26

2.4 Cơ sở thiết kế, thi công mặt đường bê tông xi măng 27

2.4.2 Kết cấu của mặt đường bê tông xi măng 28

3.1.2 Đá dăm 33

CHƯƠNG 4

4.1 Ảnh hưởng của các loại phụ gia đến thời gian bắt đầu ninh kết 48 4.1.1 Ảnh hưởng của các loại phụ gia hóa học đến thời gian bắt đầu ninh

4.1.3 Đánh giá ảnh hưởng của phụ gia hóa học và phụ gia khoáng đến

tính chất của bê tông xi măng

50

4.1.4 Ảnh hưởng của kết hợp các loại phụ gia hóa học và phụ gia

khoáng đến thời gian bắt đầu ninh kết

4.2.3 Đánh giá ảnh hưởng của phụ gia hóa học và phụ gia khoáng đến

thời gian kết thúc ninh kết của bê tông xi măng

58

4.2.4 Ảnh hưởng của kết hợp các loại phụ gia hóa học và phụ gia

khoáng đến thời gian kết thúc ninh kết

60

4.3 Ảnh hưởng của các loại phụ gia đến thời gian ninh kết 62

4.3.1 Ảnh hưởng của các loại phụ gia hóa học đến thời gian ninh kết 62 4.3.2 Ảnh hưởng của các loại phụ gia khoáng đến thời gian ninh kết 63 4.3.3 Đánh giá ảnh hưởng của phụ gia hóa học và phụ gia khoáng đến

thời gian ninh kết của bê tông xi măng

64

4.3.4 Ảnh hưởng của kết hợp các loại phụ gia hóa học và phụ gia

khoáng đến thời gian ninh kết

67

4.4 Ảnh hưởng của các loại phụ gia đến cường độ chịu nén 68 4.4.1 Ảnh hưởng của các loại phụ gia hóa học đến cường độ chịu nén 68 4.4.1.1 Ảnh hưởng của các loại phụ gia hóa học đến cường độ chịu nén

thời gian 1 ngày

69

4.4.1.2 Ảnh hưởng của các loại phụ gia hóa học đến cường độ chịu nén

thời gian 3 ngày

70

4.4.1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng các loại phụ gia hóa học đến cường

độ chịu nén thời gian 7 ngày

71

4.4.1.4 Ảnh hưởng của hàm lượng các loại phụ gia hóa học đến cường

độ chịu nén thời gian 28 ngày

4.4.2.2 Ảnh hưởng của các loại phụ gia khoáng đến cường độ chịu nén

thời gian 3 ngày

74

4.4.2.3 Ảnh hưởng của các loại phụ gia khoáng đến cường độ chịu nén

thời gian 7 ngày

75

4.4.2.4 Ảnh hưởng của các loại phụ gia khoáng đến cường độ chịu nén

thời gian 28 ngày

75

4.4.3 Ảnh hưởng của kết hợp các loại phụ gia hóa học và khoáng đến

cường độ chịu nén

76

4.4.3.1 Ảnh hưởng của kết hợp các loại phụ gia hóa học và khoáng đến

cường độ chịu nén thời gian 1 ngày

77

4.4.3.2 Ảnh hưởng của kết hợp các loại phụ gia hóa học và khoáng đến

cường độ chịu nén thời gian 3 ngày

78

4.4.3.3 Ảnh hưởng của kết hợp các loại phụ gia hóa học và khoáng đến

cường độ chịu nén thời gian 7 ngày

79

4.4.3.4 Ảnh hưởng của kết hợp các loại phụ gia hóa học và khoáng đến

cường độ chịu nén thời gian 28 ngày

80

4.4.4 Ảnh hưởng của các loại phụ gia đến cường độ chịu uốn 81 4.4.4.1 Ảnh hưởng của các loại phụ gia hóa học đến cường độ chịu uốn 81 4.4.4.2 Ảnh hưởng của các loại phụ gia khoáng đến cường độ chịu uốn 83 4.4.4.3 Ảnh hưởng của kết hợp các loại phụ gia hóa học và phụ gia

khoáng đến cường độ chịu uốn

HÌNH ẢNH

Trang Hình 1-1: Đường giao thông bê tông xi măng ở Mỹ 1 Hình 1-2: Thiết bị ván khuôn trượt thi công mặt đường bê tông xi măng 5 Hình 1-3: Hiện tượng lún mặt đường asphalt 6

Hình 1-5: So sánh sự tương quan của cường độ nén và cường độ uốn 15 Hình 2-1: Sơ đ quá trình rắn chắc của xi măng 19

Hình 3-7: Trộn bê tông và thử độ sụt hỗn hợp bê tông 41

Hình 3-15: Đo nhiệt độ bê tông và nhiệt độ môi trường 44 Hình 3-16: Dụng cụ xác định thời gian ninh kết 45 Hình 3-17: Mẫu bê tông sau xác định thời gian ninh kết 46 Hình 3-18: Biểu đ thời gian đông kết của hỗn hợp bê tông 47 Hình 4-1: Mối quan hệ giữa tỷ lệ phụ gia hóa học và thời gian bắt đầu

Hình 4-3: Mối quan hệ giữa kết hợp tỷ lệ phụ gia hóa học và phụ gia

khoáng 10% Silica fume và thời gian bắt đầu ninh kết

Hình 4-6: Mối quan hệ giữa kết hợp tỷ lệ phụ gia hóa học và phụ gia

khoáng Silica fume 10% và thời gian kết thúc ninh kết

61

Hình 4-7: Mối quan hệ giữa tỷ lệ phụ gia hóa học và thời gian ninh kết 63 Hình 4-8: Mối quan hệ giữa tỷ lệ phụ gia khoáng và thời gian ninh kết 64 Hình 4-9: Mối quan hệ giữa tỷ lệ phụ gia khoáng và thời gian ninh kết 67 Hình 4-10: Mối quan hệ giữa tỷ lệ phụ gia hóa học và cường độ chịu nén

Hình 4-15: Mối quan hệ giữa tỷ lệ phụ gia khoáng và cường độ chịu nén

Hình 4-24: Mối quan hệ giữa kết hợp tỷ lệ phụ gia hóa học, phụ gia

khoáng và cường độ chịu uốn 28 ngày

84

Hình 4-25: Biểu đ thời gian bắt đầu ninh kết của các mẫu bê tông 85 Hình 4-26: Biểu đ thời gian kết thúc ninh kết của các mẫu bê tông 86 Hình 4-27: Biểu đ thời gian ninh kết của các mẫu bê tông 87 Hình 4-28: Biểu đ cường độ chịu nén 01 ngày tuổi của các mẫu bê tông 88 Hình 4-29: Biểu đ cường độ chịu nén 03 ngày tuổi của các mẫu bê tông 89 Hình 4-30: Biểu đ cường độ chịu nén 07 ngày tuổi của các mẫu bê tông 89 Hình 4-31: Biểu đ cường độ chịu nén 28 ngày tuổi của các mẫu bê tông 90 Hình 4-32: Biểu đ cường độ chịu uốn 28 ngày tuổi của các mẫu bê tông 91

BẢNG BIỂU

Trang Bảng 2-1: Mức hoạt tính của các loại khoáng siêu mịn 22 Bảng 2-2: Tham khảo chiều dày tấm bê tông xi măng thông thường tuỳ

theo cấp hạng đường và quy mô giao thông

Bảng 4-1: Kết quả thực nghiệm thời gian bắt đầu ninh kết và tỷ lệ phụ

lệ phụ gia hóa học và phụ gia khoáng 10% Silica fume

53

Bảng 4-7: Kết quả thực nghiệm thời gian kết thúc ninh kết và tỷ lệ phụ

hàm lượng phụ gia hóa học và phụ gia khoáng Silica fume 10%

gia hóa học và phụ gia khoáng Silica fume 10%

Bảng 4-21: Mối quan hệ giữa kết hợp tỷ lệ phụ gia hóa học, phụ gia

khoáng và cường độ chịu nén bê tông

76

Bảng 4-22: Mối quan hệ giữa tỷ lệ phụ gia hóa học và cường độ chịu uốn

bê tông 28 ngày

81

Bảng 4-23: Mối quan hệ giữa tỷ lệ phụ gia hóa học và cường độ chịu uốn

bê tông

83

Bảng 4-24: Mối quan hệ giữa kết hợp tỷ lệ phụ gia hóa học, phụ gia

khoáng và cường độ chịu uốn bê tông

84

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu

Mặt đường bê tông xi măng xuất hiện vào cuối thế kỷ 19, bắt đầu ở Anh vào những năm 1950, sau đó lan dần sang Pháp, Đức, Mỹ và Nga … Trong suốt hơn

100 năm qua, mặt đường bê tông xi măng đã được tiếp tục xây dựng và phát triển ở hầu hết các nước trên thế giới, tập trung nhiều nhất ở các nước có nền kinh tế phát triển như: Canada, Hoa Kỳ, CHLB Đức, Anh, Bỉ, Hà Lan, Australia, Trung Quốc… Mặt đường bê tông xi măng (mặt đường cứng) cùng với mặt đường mềm là

2 loại hình mặt đường chính được sử dụng cho giao thông đường bộ và sân bay, đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành nên mạng lưới giao thông của các khu vực, lãnh thổ và xuyên quốc gia

Hình 1-1: Đường giao thông bê tông xi măng ở Mỹ

Trong thời gian gần đây, tốc độ phát triển kinh tế Việt Nam khá cao, dẫn đến đòi hỏi phải phát triển hệ thống hạ tầng giao thông đồng bộ, đáp ứng nhu cầu giao thông tăng nhanh trên các đường cao tốc, quốc lộ, đường vào các cảng, các cửa ngõ

đô thị…Trong đó, lưu lượng xe có tải trọng lớn như xe container, xe bồn xi téc, xe tải tự đổ, xe siêu trọng…tăng nhiều lưu thông trên đường Hiện mặt đường có cấu trúc mềm (bê tông nhựa asphalt) chưa đáp ứng tốt về chịu lực dưới tác động của tải trọng này và cộng với điều kiện khí hậu nóng ẩm, thường xuyên có mưa, bão lụt, ngập nước của Việt Nam sẽ gây ra tình trạng hư hỏng mặt đường bê tông nhựa asphalt nhanh sau khi đưa vào sử dụng Do đó, nghiên cứu mặt đường bê tông xi măng sử dụng phụ gia hóa học và phụ gia khoáng tăng cường độ tuổi sớm và tính

dễ thi công để rút ngắn thời gian thi công, thông xe mặt đường sớm đảm bảo yêu cầu về cường độ, độ bền… có thể đưa công trình vào khai thác sử dụng sớm, giảm được chi phí đầu tư và đảm bảo điều kiện giao thông thông suốt trong các công trình giao thông là rất cần thiết hiện nay

1.2 Tóm tắt nghiên cứu tổng quan

1.2.1 Tổng quan về đường bê tông xi măng

Hiện nay hầu hết các nước phát triển và đang phát triển người ta chú trọng xây dựng loại mặt đường này Khối lượng mặt đường bê tông xi măng đã xây dựng ở một số nước (trích từ Báo cáo Long-Life Concrete Pavements in Europe and Canada” của Cục Đường bộ Liên bang Mỹ - FHWA, 2007) thống kê dưới đây:

- Ở Mỹ, mặt bê tông xi măng chiếm khoảng 9% của 490.179 km đường đô thị

và 4% của 102.8491 km đường ngoài đô thị

- Ở tỉnh Québec, Canada có khoảng 1.239 km (đường 2 làn xe) trong tổng số 29.000 km đường (khoảng 4%) là mặt đường bê tông xi măng nhưng lại phục vụ tới 75% lượng giao thông ở Québec

- Ở Đức, mặt đường bê tông xi măng không cốt thép, phân tấm chiếm khoảng 25% mạng lưới đường cao tốc với lưu lượng giao thông cao

- Ở Áo, đường cao tốc chiếm khoảng 25% mạng lưới đường bộ quốc gia (14000km), trong đó mặt đường bê tông xi măng chiếm 2/3 khối lượng

- Ở Bỉ thì mạng lưới đường khoảng 134.000 km, gồm đường cao tốc, đường tỉnh, đường địa phương và đường nông thôn Trong đó, đường cao tốc có khoảng

1700 km, tức là chỉ hơn 1% Mặt đường bê tông xi măng chiếm 40% của những đường cao tốc và 60% đường nông thôn Tổng cộng mặt đường bê tông xi măng chiếm khoảng 17%

- Ở Hà Lan, mạng lưới đường ô tô có khoảng 113.000 km Trong đó có khoảng 2.300 km là đường cao tốc, chỉ chiếm khoảng 2% về chiều dài nhưng những con đường cao tốc này phục vụ 38% lưu lượng giao thông Mặt đường bê tông xi măng chiếm khoảng 5% đường cao tốc, trong đó một nửa là mặt đường bê tông cốt thép liên tục và một nửa là bê tông xi măng không cốt thép, phân tấm Hà Lan còn

có khoảng 140 km đường khu vực có mặt bê tông xi măng không cốt thép, phân tấm Tổng cộng, mặt đường bê tông xi măng chiếm khoảng 4% mạng đường ô tô Ngoài ra, Hà Lan còn có 20.000 km đường dành cho xe đạp, trong đó có khoảng 10% là mặt đường bê tông xi măng

- Ở Anh, mạng lưới đường có khoảng 285.000 km, trong đó có 1.500 km là mặt đường bê tông xi măng Cho tới đầu những năm 1980, mặt đường bê tông xi măng phân tấm, không hoặc có cốt thép vẫn là loại chủ yếu Từ giữa những năm

1980 đến giữa những năm 1990, mặt đường bê tông xi măng điển hình lại là bê tông cốt thép liên tục

Ngoài ra, mặt đường bê tông xi măng chiếm khoảng 67% đường cao tốc ở Úc

và chiếm 60% đường cao tốc ở Trung Quốc

1.2.1.2 Sự phát triển mặt đường bê tông xi măng ở Việt Nam [1], [5]

Mặt đường bê tông xi măng đã được ứng dụng tương đối ở nhiều quốc gia trên toàn thế giới Tuy nhiên do chi phí đầu tư xây dựng này khá cao và rào cản về công nghệ thi công dẫn đến loại mặt đường này chưa được xây dựng phổ biến tại Việt

Nam Một số ít dự án trong nước có sử dụng mặt đường bê tông xi măng (Mặt

đường bê tông xi măng cho đường ô tô và sân bay của tác giả: Dương Ngọc Hải – Hoàng Tùng, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, năm 2010) [1], trong khoảng 10 năm gần đây có sử dụng ở một vài sân bay những tấm mặt đường bê tông xi măng lưới thép, tình hình cụ thể như sau:

- Từ 1945 trở về trước một vài sân bay và một vài đoạn đường ôtô được xây dựng mặt đường bê tông xi măng tấm nhỏ (kích thước 2x2m dày 15  18cm) với

phương pháp thi công bằng thủ công

- Từ 1954 – 1975 ở miền Bắc, sân bay Nội Bài, đường thị trấn Xuân Hòa và đường Hùng Vương qua trước Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh có thể xem là những công trình xây dựng mặt đường bê tông xi măng hoàn chỉnh đầu tiên; đặc biệt đường Hùng Vương có tấm bê tông xi măng thông thường, không cốt thép, kích thước 3,75m  6,0m đặt trên móng cát gia cố ximăng có cách li, có khe co, dãn theo đúng các yêu cầu cấu tạo như hiện nay và được thi công bằng các trạm trộn bê tông

xi măng kết hợp với phương tiện rải cải tiến (do PGS Nguyễn Quang Chiêu nghiên

cứu đề xuất) Ở miền Nam, các đường cất cánh, hạ cánh (HCC) ở sân bay Tân Sơn Nhất đã được Mỹ xây dựng lại khoảng năm 1963, 1964 với các tấm bê tông xi măng không cốt thép dày 30cm có kích thước tấm 7,62m x 7,62m đặt trên lớp móng cát gia cố xi măng có bề dày 24cm, sân bay Thành Sơn (Phan Rang), Phú Quốc…

- Từ 1975 – 1990 do tình hình khôi phục kinh tế khó khăn, lượng ximăng sản xuất hạn chế nên mặt đường bê tông xi măng không phát triển, chỉ trừ những năm khan hiếm nhựa bitum nên buộc phải xây dựng một số đoạn đường bê tông xi măng: khoảng trên 10km trên Quốc lộ 3 Thái Nguyên đi Bắc Cạn với công nghệ thi công thủ công; đoạn Bắc cầu Chương Dương xuống Gia Lâm (1984) và đường Quán Bánh – Cửa Lò

- Từ năm 1990 đến năm 2000 cùng với sự nghiệp đổi mới của đất nước, kinh

tế phát triển đã phát sinh các yêu cầu xây dựng mặt đường bê tông xi măng như các công trình cải tạo nâng cấp đường cất cánh, hạ cánh - 25R, 25L và sân đỗ sân bay Tân Sơn Nhất (1992 – 1996), cải tạo và xây dựng thêm đường cất cánh, hạ cánh ở sân bay Nội Bài và một số sân bay khác

Năm 1995 lần đầu tiên ở nước ta ban hành Tiêu chuẩn ngành thiết kế áo đường cứng 22 TCN 223-95 với nội dung chủ yếu áp dụng cho mặt đường bê tông

xi măng đổ tại chỗ và mặt đường bê tông xi măng lắp ghép không có cốt thép chịu lực (chỉ có cốt thép cấu tạo phục vụ cẩu lắp) và sau đó có tiêu chuẩn thiết kế của AASHTO nhập vào nước ta

- Từ năm 2000 đến nay khoảng 30km mặt đường bê tông xi măng đã được xây dựng trên Quốc lộ 1 bề dày tấm 24cm đặt trên móng cấp phối đá dăm dày tối thiểu 10cm (ở giữa có lớp cách ly) với kích thước tấm 6,0m x 4,5m Những đoạn đường bê tông xi măng này đã được thi công bằng máy rải ván khuôn trượt tuy nhiên do các nhà thầu còn thiếu kinh nghiệm nên chất lượng chưa thật bảo đảm:

* Khoảng 2km do thiếu kinh nghiệm trong việc sử dụng màng bảo dưỡng bằng hóa chất trong điều kiện thời tiết khí hậu nắng nóng có gió Lào ở miền Trung nên bề mặt tấm đã bị bong tróc (hở đá) ngay sau khi cho xe chạy;

* Khoảng 10% số tấm bị nứt ở gần cạnh và các góc tấm do co ngót, do xẻ khe không kịp thời và đặc biệt là do các thanh truyền lực ở khe nối bị cong khiến cho các khe nối không hoạt động khi có biến đổi nhiệt độ;

* Độ bằng phẳng tại các chỗ khe nối chưa bảo đảm vì đặt trên móng cấp phối

đá dăm nên chỉ sau 4  5 năm sử dụng rất nhiều tấm bê tông xi măng bị nứt dọc khu vực vệt bánh xe với các khe nứt khá rộng đến 5  10mm, thậm chí rộng 20mm

Cũng trong thời gian từ 2002 – 2005 trên đường Hồ Chí Minh đã triển khai xây dựng tổng cộng 350km mặt đường bê tông xi măng đổ tại chỗ không cốt thép, tấm dày 22cm (bề rộng 3,5m, 5,5m) trên móng cấp phối đá dăm dày 15cm có lớp cách ly Công nghệ thi công hầu hết là thi công thủ công (đầm bằng các thiết bị cầm tay) Do lượng xe ít nên hiện chỉ xuất hiện các hư hỏng do chất lượng thi công

Như vậy, trong vòng 10 năm qua có thể xem là có bước phát triển nhảy vọt về việc sử dụng mặt đường bê tông xi măng làm đường ôtô ở nước ta

Xây dựng mặt đường bê tông xi măng bằng thiết bị rải liên hợp: Hiện nay một số doanh nghiệp xây dựng Việt Nam đã có những dây chuyền đồng bộ hiện đại, từ khâu sản xuất hỗn hợp vữa bê tông xi măng, vận chuyển, trải – đầm, hoàn thiện mặt, bảo dưỡng, tạo nhám, cắt khe và trám khe…Những dây chuyền này đáp ứng yêu cầu thi công mặt đường bê tông xi măng có chiều dày lớp đến 40 cm và chiều rộng tấm đến 7,5 m Với dây chuyền này, cho phép thi công mặt đường bê tông xi măng mác 350/40 đạt năng suất trung bình 500m3

/ca, cao điểm đạt 1000

m3/ngày

Hình 1-2: Thiết bị ván khuôn trượt thi công mặt đường bê tông xi măng

Chủ trương tăng cường sử dụng xi măng trong xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông đã được hai Bộ Giao thông Vận tải và Xây dựng thống nhất và ký kết chương trình phối hợp tổng thể Trong thời gian tới, Bộ Giao thông Vận tải sẽ triển khai làm thử nghiệm đồng thời nhiều loại đường khác nhau từ cao tốc, quốc lộ, miền núi, đường ngập lụt để có đánh giá tổng thể và áp dụng rộng rãi vào thực tiễn Thời gian qua, Việt Nam đã nhập khoảng 21 máy thảm bê tông xi măng các loại để sử dụng thi công một số công trình đường ô tô và sân bay

1.2.2 Đánh giá ưu nhược điểm mặt đường bê tông xi măng [11], [12]

1.2.2.1 Ưu điểm

- Tuổi thọ thường 30-50 năm, do vậy ít bị gián đoạn giao thông do sửa chữa Theo số liệu báo cáo của Công ty tư vấn ERES Inc năm 1998 cho thấy tuổi thọ của đường asphalt là 17 năm còn của đường bê tông xi măng là 34 năm Báo cáo này cũng cho thấy đường cao tốc asphalt đòi hỏi công tác bảo trì trong mỗi 3-5 năm và sửa chữa lớn trở nên thường xuyên hơn sau năm thứ 12 Đối với đường bê tông xi măng thì khác, yêu cầu sửa chữa nhỏ đầu tiên sau 12 năm và sửa chữa bề mặt bê tông ở năm thứ 18

- Đường bê tông xi măng không bị xô, lún Các xe tải nặng có thể tạo các vết lún trên đường nhựa, trong khi dừng hay khởi động, các xe tải nặng có thể tạo xô bề mặt đường Mặt đường bê tông xi măng có khả năng chống bào mòn, chống hiện tượng trồi, lún dưới vệt bánh xe, hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường cao, an toàn cho xe chạy và có màu sáng nên thuận lợi cho việc chạy xe ban đêm

Hình 1-3: Hiện tượng lún mặt đường asphalt Hình 1-4: Mặt đường bê tông xi măng

- Mặt đường bê tông xi măng có chi phí duy tu, bảo dưỡng thấp Do thời gian phục vụ tương đối dài, chi phí duy tu bảo dưỡng thấp nên tổng giá thành xây dựng

và khai thác của mặt đương bê tông xi măng có cao nhưng không cao hơn nhiều so với mặt đường bê tông nhựa

- Hiện nay cùng với sự phát triển kinh tế, mật độ xe chạy trên đường ngày càng tăng, trọng lượng xe cơ giới ngày càng nặng, khả năng sản xuất xi măng trong nước ngày càng dồi dào.v.v Trong điều kiện khí hậu ở Việt Nam với lượng mưa lớn, nhiệt độ không khí về mùa hè khá cao, bức xạ mặt trời rất mạnh, chế độ thủy nhiệt của nền mặt đường ở một số nơi lại thường bất lợi…là những nhân tố ảnh hưởng không tốt đến cường độ và độ ổn định, độ nhám mặt đường nhựa Vì vậy, việc nghiên cứu áp dụng rộng rải mặt đường bê tông xi măng vào xây dựng đường, đặc biệt là đường giao thông ở nước ta là một vấn đề quan trọng và cấp thiết

- Móng đường bê tông xi măng yêu cầu có độ bằng phẳng cao, chất lượng đồng đều và liên tục Không xây dựng mặt đường bê tông xi măng trên nền đường còn tiếp tục lún như đi qua vùng đất yếu

- Mặt đường bê tông xi măng 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 khai thác Khe nối lại là chỗ yếu nhất của mặt đường bê tông xi măng, khiến cho chúng dễ bị phá hoại ở cạnh và góc tấm…

1.2.2.3 Giải pháp đề xuất hạn chế khắc phục những nhược điểm đường bê tông xi măng

Mặt đường bê tông xi măng thông thường có nhược điểm lớn là sau khi xây dựng xong phải bảo dưỡng một thời gian mới cho phép thông xe (đủ cường độ nén, uốn bê tông sau 28 ngày) và khi bị hư hỏng thì rất khó sửa chữa, trong quá trình sửa chữa do kéo dài thời gian bảo dưỡng nên rất ảnh hưởng đến việc đảm bảo giao thông, đặc biệt trong khu vực nội thành hoặc các đường nối khu vực có mật độ xe lưu thông lớn

Do đó, nghiên cứu sử dụng phụ gia cho bê tông xi măng mặt đường ninh kết nhanh để rút ngắn thời gian thi công, thông xe mặt đường sớm đảm bảo yêu cầu về cường độ, độ bền… có thể đưa công trình vào khai thác sử dụng sớm, giảm được chi phí đầu tư và đảm bảo giao thông thông suốt, liên tục trong các công trình giao thông là giải pháp rất cần thiết hiện nay

1.3 Phụ gia bê tông xi măng [5], [6]

1.3.1 Lịch sử nghiên cứu và sử dụng phụ gia bê tông trên thế giới [6]

Việc đưa vào bê tông các sản phẩm khác nhau (phụ gia) nhằm cải thiện một vài tính chất của chúng, được thực hiện ngay từ thời kỳ đầu của việc sản xuất bê tông bằng xi măng pooclăng Các sản phẩm đưa vào đầu tiên là thạch cao, canxi clorua, các loại bột mịn Trước hết, người ta tìm cách tác động lên thời gian ninh kết, cường độ cơ học, tính chống thấm nước của bê tông Cnadlt đã nghiên cứu từ năm 1891 tác dụng của các chất làm chậm đông kết nhanh và làm chậm sự đông kết Việc sử dụng chất đường làm một chất làm chậm đông kết đã được biết tới vào năm 1909 Những nhà sản xuất đầu tiên bán các sản phẩm thích hợp đối với bê tông

để cải thiện một vài tính chất của chúng xuất hiện vào năm 1910 Các sản phẩm sản xuất vào những năm 1920 - 1930 là các chất kỵ nước có gốc là các sản phẩm mịn là các muối stearat, keo xương, san hô biển, các chất cứng nhanh có gốc là clorua canxi, các chất kỵ nước cứng nhanh Các chất làm dẻo được bán vào năm 1935 Các chất cuốn khí chỉ được thực tế sử dụng từ năm 1948 Các phụ gia này bao gồm những sản phẩm mà tác dụng đã được biết rõ, xuất hiện trên thị trường đã 25 năm nay như: các chất làm chậm đông kết, chống băng giả, sản phẩm bảo dưỡng Gần đây hơn, các chất polime đã được đưa vào bê tông Hiện nay ở Pháp, tồn tại khoảng

300 loại phụ gia, ở Việt Nam cũng có khoảng 100 loại phụ gia

1.3.2 Định nghĩa, phân loại [6]

1.3.2.1 Định nghĩa

Phụ gia cho bê tông là những vật liệu được cho vào trong quá trình nghiền clinke xi măng hoặc bổ sung trực tiếp vào quá trình nhào trộn hỗn hợp bê tông xi măng để cải thiện một số tính chất của xi măng hoặc của bê tông

Phụ gia là các sản phẩm có liều lượng nhỏ (với tỷ lệ nhỏ hơn 5% trọng lượng

xi măng) khi trộn vữa và bê tông hoặc thêm vào bề mặt bê tông ở trạng thái ướt, để cải thiện một vài tính chất của bê tông

Theo định nghĩa này các sản phẩm pha vào clinke khi nghiền không được coi

là phụ gia và các sản phẩm với liều lượng pha quá 5% trọng lượng của xi măng (ví

dụ bột puzơlan) cũng không được coi là phụ gia

- Nhóm phụ gia khoáng: là các sản phẩm dạng bột mịn có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo Chúng có thể thể hiện tính chất của vật liệu puzơlan hay tính chất của

xi măng Chúng được thêm vào trong quá trình nghiền clinke để sản xuất xi măng hoặc thêm vào trực tiếp trong quá trình nhào trộn bê tông để cải thiện một số tính chất của hỗn hợp bê tông và của bê tông

- Nhóm hoá chất xây dựng: là các chất hoá học được sử dụng trong quá trình thi công bê tông ngoài công trường để nâng cao chất lượng của bê tông

Phân loại của Hiệp hội quốc gia về phụ gia (SYNAD) của Pháp

- Phụ gia cải biến tính lưu biến và hàm lượng khí

+ Chất tăng dẻo – giảm nước;

+ Chất tăng dẻo – giữ nước;

+ Chất cuốn khí

- Phụ gia cải biến sự ninh kết và cứng rắn

+ Tăng nhanh hoặc làm chậm ninh kết

- Phụ gia cải biến độ bền đối với các tác dụng vật lý và hoá học

Tiêu chuẩn Mỹ ACI 212 quy định về 14 loại phụ gia

Ở Việt Nam phụ gia bê tông đã được nghiên cứu từ những năm 1965 – 1967

và ngày càng phát triển với những chủng loại tương tự như những nước khác Các chủng loại phụ gia ở Việt Nam chủ yếu là: Phụ gia tăng dẻo, siêu dẻo giảm nước, phụ gia chống thấm, phụ gia nở và không co, phụ gia khoáng, phụ gia sửa chữa kết cấu Nói chung các sản phẩm phụ gia ở Việt Nam bước đầu được chế tạo công nghiệp và có chất lượng tốt

1 4 Các loại phụ gia hoá học tăng cường độ tuổi sớm và tính dễ thi công [6]

1.4.1 Phụ gia giảm nước

1.4.1.1 Chất tăng dẻo giảm nước (phụ gia hoạt tính bề mặt)

Là các phụ gia truyền thống được dùng ở Việt Nam từ những năm 1960 cho phép hoặc giảm nước để có cùng tính dễ đổ hoặc tăng tính dễ đổ cùng với hàm lượng nước Các phụ gia này cải thiện khả năng biến dạng của vữa và bê tông tươi dưới tác dụng của phương tiện đầm Đó luôn là những sản phẩm hữu cơ có khả năng giảm sức căng bề mặt hoặc giữa các mặt của các chất lỏng của nước nói riêng Chúng bôi trơn các hạt xi măng, các hạt xi măng sẽ tách rời nhau Sự phân tán đó tạo điều kiện dễ dàng cho việc làm ướt và thuỷ hoá Các chất giảm nước:

Lignosulfonat: là sản phẩm phụ của sản xuất giấy (nước bã giấy) bằng phương pháp hoá học, nó bao gồm việc làm tan lignin của gỗ bằng bisunfit tẩy rửa Chúng thể hiện dưới dạng một chất lỏng hoặc dạng bột mịn, mịn hơn xi măng và có thể tan

trong nước Lignosulfonat là chất giảm nước và cũng tham gia vào thành phần của các phụ gia khác như là phụ gia cuốn khí, chất làm chậm đông cứng hoặc các chất

1.4.1.2 Các chất hoá dẻo giảm nước

Các sản phẩm làm gốc phụ gia hoá dẻo là:

- Bentonit là đất sét dạng keo, phụ thuộc chủ yếu vào nhóm MontmoRillonit

và cỡ hạt nhỏ nhất của nó có thể đạt tới 0,1cm Các hạt hút từ 2÷6 lần trọng lượng nước;

- Kieselgurlr là đất hoá thạch của loại tảo chứa silic mà thành phần hạt từ 1 đến 100m và hút nước 2÷5 lần trọng lượng của chúng

- Các sản phẩm keo như là aginat, casein hoặc chất bột

- Các Polyvinyl Axetat, các Stearat…

Tính dễ đổ được cải thiện đối với cùng một hàm lượng nước Độ sụt bê tông tươi có thể tăng 2÷3 lần so với độ sụt gốc (không dùng phụ gia) Việc giảm nước đối với cùng tính dễ đổ thường biến đổi 5÷15% Ảnh hưởng đối với cường độ bê tông do giảm lượng nước có thể làm tăng cường độ cơ học (đến 15%)

1.4.2 Phụ gia siêu dẻo

Là phụ gia làm tăng độ sụt của bê tông đến 4 lần (15÷22cm) có thể bớt nước

từ 20÷30% Nó được sử dụng ở mức hợp lý để vừa tăng độ dẻo (8-12cm) và tăng cường độ đế 30% Phụ gia siêu dẻo có tính tương thích với từng loại xi măng và cốt liệu Vì vậy trước khi sử dụng cần lưu ý hướng dẫn của nhà sản xuất và tiến hành các thử nghiệm cần thiết

Có 5 loại phụ gia siêu dẻo: thế hệ 1 là A, thế hệ 2 là B và thế hệ 3 là C

- A1- Ligno Sulfonat (LS): là phụ gia siêu dẻo thế hệ 1 từ các chất cao phân tử

tự nhiên lgnin (từ gỗ và senlulo) độ giảm nước tối thiểu là 10%, có thể làm chậm ninh kết, độ sụt giảm 30% sau 30 phút, lượng dùng 2,5% xi măng

- B1 – Polime gốc Sulfonat Melamin (MFS): là phụ gia siêu dẻo gốc ure và Formadehyd có tác dụng giảm nước tối thiểu đến 25%, lượng dùng 1,5÷2,5% xi măng, giảm độ sụt đến 50% sau 40 phút và cho cường độ sớm (R3=0,85R28), thời gian thi công ngắn, tỷ lệ N/X<0,4 và phù hợp với khí hậu nóng

- B2 – Naphthalen sulfonat polycondesat (BMS): có nguồn gốc từ than đá, giảm nước tối đa 25%, lượng dùng 1,5÷2,5% Xi măng, độ sụt giảm đến 50% sau 50 phút

- B3 – Chất siêu dẻo thế hệ thứ hai: Vinylcopolime (VC) Thành phần chính là Sulfonat Vinylcopolime (dầu thô), giảm nước tối đa đến 30%, lượng dùng 1,5÷2%

xi măng, giảm độ sụt ban đầu đến 50% sau 100 phút, tạo ra độ sụt đến 22cm, kéo dài thời gian thi công

- C – Chất siêu dẻo thế hệ thứ 3: Poly Cacbocylat (PC) là chất gốc polime cao phân tử tổng hợp, giảm nước tới 40% (tỷ lệ N/X có thể đạt đến 0,27), bê tông có thể đạt độ sụt đến 22cm cho chất lượng cao Loại phụ gia đặc biệt này có thể thay đổi cấu tạo phân tử để phụ gia phù hợp với các yêu cầu đặc biệt Với bê tông chất lượng cao thường dùng chất siêu dẻo PC, với bê tông tự đầm có thể dùng loại cải tiến là Polyme Viscocret (PV)

1.4.3 Phụ gia đông cứng nhanh

Các chất tăng nhanh sự đông cứng:

- Clorua: canxi, natri, nhôm;

- Các chất gốc kiềm: sút, potat, amoni ăc, cũng như các muối của chúng: Cacbua, aluminat, borat natri, borat kali, nitrat, nitrit, focimat canxi

Các phụ gia là sản phẩm hỗn hợp được dùng với liều lượng từ 2÷5% trọng lượng xi măng Một số được dùng để tác động lên xi măng có hàm lượng clanke cao Đối với các liều lượng khá cao (10÷40% của trọng lượng xi măng), đông kết

có thể rất nhanh và có thể so sánh được với đông cứng của xi măng cứng nhanh Phải thực hiện các phòng ngừa trong trường hợp dùng gốc kiềm thấp

Sản phẩm hiệu quả nhất là canxi clorua Tuy nhiên, việc sử dụng nó bị cấm đối với các công trình bằng bê tông ứng suất trước và đối với nhiều công trình bằng

bê tông cốt thép vì có nguy cơ xâm thực thép

Các chất tăng nhanh đông cứng được đề nghị cho các công tác sau:

- Đổ bê tông và thời gian lạnh

- Tháo ván khuôn nhanh

- Kết cấu đúc sẳn được tháo ván khuôn nhanh

1.5 Các loại phụ gia khoáng [5], [6], [19]

Các loại phụ gia puzzolan, phụ gia xỉ hoạt hóa, phụ gia tro bay và tro tuyển được sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam nhằm cải thiện các tính chất của bê tông, giảm lượng dùng xi măng, giảm thiểu việc tích chứa các phế thải công nghiệp Việc

sử dụng các loại phụ gia khoáng hoạt tính mạnh như Silicafume (SF), Metakaolin (MK), và tro trấu hoạt tính (RHA) của nhà máy nhiệt điện đốt trấu tại các vùng lúa, trong chế tạo bê tông tính năng cao (HPC) đã bắt đầu được quan tâm và đẩy mạnh Phụ gia khoáng được thêm vào bê tông một lượng lớn để tăng tính dễ thi công; cải thiện nứt do nhiệt, tăng tính kiềm cốt liệu và sự ăn mòn sunfat; giảm tính thấm; tăng cường độ; và giảm hàm lượng xi măng; cải thiện tính chất hỗn hợp bê tông

Trong bê tông việc sử dụng phụ gia khoáng có hàm lượng hạt mịn (bột) lớn làm tăng độ nhớt dẻo của vữa xi măng Phụ gia khoáng mịn sử dụng trong chế tạo bê tông tự lèn có nhiều chủng loại như silicafume, tro nhiệt điện, xỉ lò cao, bột đá vôi, tro trấu

- Bột đá vôi: thành phần chủ yếu là CaCO3 Bột đá vôi có rất ít hoạt tính trong vai trò chất kết dính Vì vậy nó cũng có thể được xem là phụ gia trơ hay là thành phần mịn trong bê tông

- Tro bay: là sản phẩm thu được từ khói của nhà máy nhiệt điện Đường kính của hạt từ 10 ÷40m (tỷ diện từ 3000 ÷ 5000 cm2/g) Tro bay nhẹ có thành phần chủ yếu là SiO2 vô định hình có khả năng tác dụng với xi măng trong phản ứng puzơlan Đặc tính nhẹ được xác định theo ASTM – C109 gồm tro bay các loại C và

F Tro bay nhẹ được dùng trong bê tông từ 10 ÷ 25 % so với lượng xi măng Có thể dùng tro bay nhẹ trong các bê tông mác cao đến 60 Mpa và bê tông thuỷ công, bê

tông làm đường Tiêu chuẩn Việt Nam 1032-2014 đã cho phép sử dụng phụ gia hoạt tính tro bay dùng cho bêtong TS Lương Đức Long năm 2010 đã “Nghiên cứu sử dụng tro nhiệt điện đốt than tầng sôi tuần hoàn có khử khí Sunfua (CFBC) của Nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn cho sản xuất vật liệu xây dựng” đưa ra khả năng sử dụng rộng rải tro bay trong xây dựng ở Việt Nam Nhóm nghiên cứu của Lê Việt Hùng năm 2015 đã “Nghiên cứu sử dụng tro bay hàm lượng mất khi nung lớn hơn 6% làm phụ gia cho sản xuất bê tông và vữa xây dựng” tại Việt Nam

- Xỉ lò luyện thép (xỉ lò cao) được hình thành như là một sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất thép, khi làm nguội nhanh xỉ thép, nghiền mịn với tỷ diện 4000 –

5000 cm2/g, có cấu tạo vô định hình Xỉ lò cao có thể dùng để chế tạo bê tông xỉ lò cao có tác dụng bền nước, tiết kiệm xi măng

- Mêta cao lanh là loại phụ gia khoáng với hàm lượng SiO2 + Al2O3 > 90% nhằm cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông cũng như làm tăng độ đặc chắc cho bê tông đã đóng rắn

- Tro trấu là sản phẩm thu được từ quá trình đốt trấu, có hàm lượng SiO2 > 85%, tỷ diện bề mặt 5000-6000 cm2/g Tro trấu phản ứng puzơlan hoá với xi măng Tro trấu giúp lấp đầy khoảng trống giữa các hạt ximăng Độ đặc chắc của bê tông được nâng cao Bê tông tro trấu có độ bền nước cao và tiết kiệm được xi măng Tro trấu siêu mịn cũng có thể được chế tạo bê tông chất lượng cao

- Silica fume (Muội silic) là vật liệu rất mịn, tỷ diện bề mặt lên tới 20.000m2/Kg khi được đo bằng kỹ thuật hấp nitơ, Silica fume chứa oxit silic vô định hình (85÷98%) Do có bề mặt hấp thụ lớn nên silicafume có khả năng giữ nước tốt trong hỗn hợp bê tông, cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông Ngoài ra, silicafume còn tham gia phản ứng với các sản phẩm thuỷ hoá của xi măng cùng với thành phần hạt siêu mịn sẽ lấp đầy các lỗ rỗng giữa thành phần xi măng làm tăng cường độ, tăng độ đặc chắc cho đá xi măng Tiêu chuẩn Việt Nam 6882-2001 đã cho phép sử dụng phụ gia silicafume trong betong, có tác dụng làm tăng độ đặc chắc, tăng cường độ, chống ăn mòn sulfat, chống thấm tốt hơn cho betong Trên thế giới, bê tông sử dụng phụ gia khoáng silicafume đã được

sử dụng cho các công trình như: tòa nhà Key Bank Tower Clevaland, Ohio, (Mỹ );

Tháp đôi Petronas (Malaysia); Taipei 101, Đài Bắc (Đài Loan); Ở Braxin các công trình như Tòa nhà thương mại Suarez, Ngân hàng Tokyo và nhiều công trình khác trên thế giới Do đó, đối với bêtông công trình đã ứng dụng silicafume vào thành phần cấp phối, trong nghiên cứu này sẽ ứng dụng silicafume vào bêtông mặt đường với khả năng tận dụng những ưu điểm của nó

1.6 Đặc tính của bê tông xi măng

Đặc tính mong muốn yêu cầu trong bất kỳ hỗn hợp bê tông là: tính dễ thi công, cường độ, độ bền, sức chống mài mòn, tính kinh tế…

và tính kinh tế

1.6.2 Cường độ

Cường độ được xác định như sức kháng lớn nhất của mẫu bê tông đến lực hướng tâm Cường độ chịu nén chính là một tính chất cơ học mà được sử dụng trong tính toán thiết kế của cấu trúc công trình

Trong thiết kế mặt đường, cường độ chịu uốn của bê tông được sử dụng gần bằng 7.5 đến 10 lần 2 cường độ chịu nén, trong khi cường độ kéo gần bằng 5 đến 7.5 lần 2 cường độ chịu nén Những yếu tố chính quyết định cường độ của hỗn hợp là: tỷ lệ N/X, loại cốt liệu thô (cốt liệu thô cứng hơn cho kết quả bê tông cường

độ hơn) và tính chất xi măng

Hình 1-5: So sánh sự tương quan của cường độ nén và cường độ uốn [16]

1.6.3 Sức chống mài mòn

Mặt đường phải chịu được mài mòn, vì vậy mặt đường cần phải có sức chịu mài mòn cao Sức chống mài mòn có liên quan đến cường độ nén của bê tông

1.6.4 Độ bền

Độ bền là một trong những đặc tính mong muốn quan trọng nhất của bê tông

Bê tông vốn là một vật liệu bền Tuy nhiên, bê tông có khả năng bị tấn công trong nhiều vết lộ khác nhau nếu không bị một vài tác nhân gây ra Bê tông chất lượng cao có tỷ lệ nước /chất dính kết xi măng khoảng 0,3 và 0,4 thì thường bền hơn bê tông thường do có ít lỗ rỗng Các yếu tố độ bền của bê tông chất lượng cao:

+ Ăn mòn trong dung dịch clorua

+ Ăn mòn cốt thép trong bê tông chất lượng cao

1.6.5 Tính kinh tế

Khi chất lượng của bê tông phụ thuộc chính vào tỷ lệ N/X, để giảm chi phí của bê tông qua khối lượng của xi măng, hàm lượng nước yêu cầu nên được sử dụng tối thiểu để giảm nhu cầu xi măng Thông qua bất cứ phương pháp sau hoặc kết hợp 2 hoặc 3 phương pháp sau có thể tối thiểu chi phí của bê tông:

Sử dụng hỗn hợp đặc chắc nhất

Sử dụng cỡ cốt liệu thực tế lớn nhất

Sử dụng tỷ lệ tối ưu của cốt liệu nhỏ/cốt liệu thô

1.7 Mục đích nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia hoá học đến thời gian tăng cường độ tuổi sớm cho áo đường cứng

- Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia khoáng đến thời gian tăng cường độ tuổi sớm cho áo đường cứng

- Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia hoá học và phụ gia khoáng đến thời gian tăng cường độ tuổi sớm cho áo đường cứng

- Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia hoá học và phụ gia khoáng đến các tính chất

cơ lý của bê tông xi măng dùng cho thiết kế cấp phối áo đường cứng

- Đánh giá khả năng sử dụng phụ gia cho cấp phối bê tông xi măng rút ngắn thời gian thi công áo đường cứng

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ KHOA HỌC

2.1 Cơ sở hoá học

2.1.1 Cơ sở hóa học của xi măng [13]

Bê tông xi măng mặt đường được làm từ nhiều thành phần khác nhau chủ

yếu được tạo từ vữa xi măng, cốt liệu (đá, cát) và phụ gia Trong đó, xi măng là

thành phần chất kết dính để liên kết các hạt cốt liệu với nhau tạo ra cường độ cho bêtông Chất lượng và hàm lượng xi măng là yếu tố quan trọng quyết định cường độ

chịu lực của bê tông

Xi măng sau khi nhào trộn với nước trải qua 3 giai đoạn: giai đoạn hoà tan – giai đoạn hoá keo – giai đoạn kết tinh và tiếp theo đó là quá trình rắn chắc Đầu tiên trong khoảng 1 – 3 giờ sau khi nhào trộn nó dẻo và dễ tạo hình, sau đó bắt đầu ngưng kết mất dần tính dẻo và đặc dần lại nhưng chưa có cường độ Giai đoạn này kết thúc trong 5 – 10 giờ sau khi nhào trộn Sau đó hỗn hợp chuyển từ trạng thái đặc sệt sang trạng thái rắn chắc, biểu hiện bằng sự tăng cường độ theo thời gian

a) Các phản ứng thuỷ hoá của xi măng:

Khi nhào trộn xi măng với nước ở giai đoạn đầu xảy ra phản ứng thủy hóa giữa các khoáng trong xi măng với nước Trong đó phản ứng của alit với nước xảy

ra như sau:

2(3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H 2O + 3Ca(OH)2 (1)

Vì đã có Ca(OH)2 tách ra từ alit nên bêlit thủy hóa chậm hơn và tách ra ít Ca(OH)2 hơn:

2(2CaO.SiO2) + 4H2O →3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (2)

3Cao.Al2O3 và 4CaO.Al2O3.Fe2O3 cũng phản ứng với nước:

3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3CaO Al2O3.6H2O (3)

4CaO.Al2O3.Fe2O3+mH2O→3CaO.Al2O3.Fe2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.nH2O (4)

b) Quá trình rắn chắc của bê tông xi măng

- Khi xi măng rắn chắc, các quá trình vật lý và hóa lý phức tạp đi kèm theo các phản ứng hóa học có một ý nghĩa rất lớn và tạo ra sự biến đổi tổng hợp, khiến cho xi măng khi nhào trộn với nước, lúc đầu chỉ là hồ dẻo và sau đó biến thành đá

có cường độ Tất cả các quá trình tác dụng tương hỗ của từng khoáng với nước để tạo ra các sản phẩm mới xảy ra đồng thời, xen kẽ và ảnh hưởng lẫn nhau Các sản phẩm mới cũng có thể tác dụng tương hỗ với nhau và với các khoáng khác của clinke để hình thành các liên kết mới Do đó hồ xi măng là một hệ phức tạp cả về cấu trúc thành phần cũng như sự biến đổi Để giải thích quá trình rắn chắc của xi măng người ta dùng thuyết Baikor – Rebinder Theo thuyết này, quá trình rắn chắc của xi măng được chia làm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn hòa tan: Khi nhào trộn xi măng với nước các thành phần khoáng của clinke sẽ tác dụng với nước ngay trên bề mặt hạt xi măng Những sản phẩm tạo được Ca(OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O sẽ tan ra Nhưng vì độ tan của nó không lớn và lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên quá bão hòa

- Giai đoạn hóa keo: Trong dung dịch quá bão hòa, các sản phẩm Ca(OH)2; 3CaO.Al2O3.6H2O mới tạo thành sẽ không tan nữa mà tồn tại ở trạng thái keo Còn các sản phẩm etringit, C-S-H vốn không tan nên tồn tại ở thể keo phân tán Nước vẫn tiếp tục mất đi (bay hơi, phản ứng với xi măng), các sản phẩm mới tiếp tục tạo thành, tỷ lệ rắn/lỏng ngày một tăng, hỗn hợp mất dần tính dẻo, các sản phẩm ở thể keo liên kết với nhau thành thể ngưng keo

- Giai đoạn kết tinh: Nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi, các sản phẩm mới ngày càng nhiều Chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho các hệ thống hoá cứng và cường độ tăng

Tóm lại quá trình rắn chắc của xi măng có thể biểu diễn như sau:

Hình 2-1: Sơ đồ quá trình rắn chắc của xi măng