Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học và khả năng ứng dụng bê tông cát để xây dựng đường ô tô ở việt nam

Luận văn

Trờng đại học giao thông vận tải

- 

 -Nguyễn Thanh sang

Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học

và khả năng ứng dụng bê tông cát để xây dựng đờng ô tô ở Việt nam

Chuyên ngành : Xây dựng đờng ô tô và đờng thành phố Mã số : 62.58.30.01

Tóm tắt Luận án tiến sĩ kỹ thuật

hà nội - 2011

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS.TS Phạm Duy Hữu

2 GS.TS Nguyễn Xuân Đào

Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục

Phản biện 2: GS.TS Nguyễn Mạnh Kiểm

Phản biện 3: GS.TSKH Phùng Văn Lự

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải

vào hồi … giờ … ngày … tháng … năm ……

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Quốc gia

2 Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải

MỞ ĐẦU

Tính cần thiết của Luận án

Bê tông xi măng (BTXM) là vật liệu chính được sử dụng trong xây dựng hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam Theo các tiêu chuẩn hiện hành [TCVN 7570:2006] cốt liệu sử dụng cho BTXM bao gồm hỗn hợp của cốt liệu lớn (đá dăm, sỏi) và cốt liệu nhỏ (cát), trong đó loại cát được sử dụng phổ biến nhất có cỡ hạt từ 0.14 đến 5 mm và mô đun độ lớn từ 2.05 đến 3.25 Các loại cát mịn không thỏa mãn yêu cầu trên vẫn chưa được sử dụng cho các loại BTXM kết cấu

Bê tông cát là một loại BTXM trong đó hỗn hợp cốt liệu sử dụng bao gồm cát (cỡ hạt lớn nhất danh định, Dmax, bằng 5 mm) và bột khoáng mịn Như vậy, so với BTXM thường thì đá dăm hoặc sỏi không được sử dụng Đồng thời, bột mịn được bổ sung nhằm dịch chuyển dải cấp phối cốt liệu, qua đó tăng cường độ đặc cho hỗn hợp cốt liệu Với đặc điểm hỗn hợp cốt liệu như trên, bê tông cát dễ đảm bảo tính đồng nhất khi nhào trộn, dễ tạo hình và đầm chặt khi thi công, qua đó góp phần giảm thiểu năng lượng cần thiết trong dây chuyền công nghệ thi công Tuy nhiên, bê tông cát cũng như một số loại bê tông đặc biệt khác chưa được nghiên cứu áp dụng Vì vậy, việc nghiên cứu và từng bước áp dụng loại bê tông này thay thế một phần BTXM thường nhằm tận dụng nguồn tài nguyên cát khá phong phú ở Việt Nam là cần thiết

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của Luận án là bê tông cát Phạm vi nghiên cứu của Luận án bao gồm nghiên cứu đề xuất cấp phối hỗn hợp cốt liệu sử dụng cho bê tông cát; nghiên cứu một số tính chất cơ học chủ yếu của bê tông cát; và đề xuất khả năng ứng dụng bê tông cát làm kết cấu mặt đường ở một

số vùng giàu cát ở Việt Nam

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết dựa trên cơ sở khoa học của các nghiên cứu cùng lĩnh vực đã được công bố trên thế giới và ở Việt Nam

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên các mẫu thử ở trong phòng thí nghiệm dựa trên các tiêu chuẩn hiện hành Kết quả thí nghiệm trong phòng được xử lý thống kê và quy hoạch thực nghiệm nhằm đảm bảo độ tin cậy cần thiết

Nội dung nghiên cứu

• Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng bê tông cát trên thế giới và ở Việt Nam

• Nghiên cứu vật liệu chế tạo bê tông cát, đề xuất cấp phối cốt liệu cho

bê tông cát dựa trên cơ sở lý thuyết về độ đặc

• Nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông cát dựa trên cường độ yêu cầu của bê tông và lý thuyết về độ tin cậy Lập phần mềm thiết kế thành phần bê tông cát dựa trên nguyên tắc chèn đầy khung cốt liệu và cường độ yêu cầu của bê tông cát

• Nghiên cứu một số tính chất cơ học đặc trưng của bê tông cát sử dụng trong tính toán và thi công kết cấu đường ôtô: cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, cường độ chịu ép chẻ, mô đun đàn hồi, khả năng chống mài mòn

• Đề xuất một số kết cấu đường ôtô bằng bê tông cát, sử dụng cho các vùng nhiều cát và hiếm đá dăm

Ý nghĩa khoa học và những đóng góp, đề xuất mới của luận án

Các kết quả nghiên cứu về thành phần các tính chất của bê tông cát trên

cơ sở vật liệu Việt Nam đã chứng minh tính khả thi của bê tông cát để làm đường ôtô Bê tông cát có cường độ đặc trưng từ 30 đến 40 MPa còn có thể

sử dụng trong công trình xây dựng dân dụng và thủy lợi

Nội dung Luận án là những gợi ý, tài liệu tham khảo cho các kỹ sư xây dựng khi áp dụng vật liệu này vào xây dựng cơ sở hạ tầng

Nghiên cứu cấp phối cốt liệu cho bê tông cát dựa trên lý thuyết Fuller Trong nghiên cứu, phần mềm tính toán thành phần bê tông cát đã được lập dựa trên nguyên lý tính toán độ đặc và cường độ yêu cầu

Nghiên cứu thực nghiệm các giá trị đặc trưng về cường độ, mô đun đàn hồi, hệ số poát xông đã được xác định, để từ đó đề xuất trong tính toán kết cấu mặt đường.

Sử dụng cát thô và cát mịn làm cốt liệu cho bê tông cát tạo ra khả năng tận dụng được cát mịn ở các địa phương, không sử dụng đá dăm, hy vọng

sẽ đem lại hiệu quả kinh tế và giảm thiểu mức độ khai thác đá nhằm bảo vệ môi sinh Đây là một vấn đề có tính thời sự và cấp thiết hiện nay

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CÁT 1.1 Khái niệm về bê tông cát

Bê tông cát là một loại đá nhân tạo nhận được sau khi tạo hình và làm rắn chắc một hỗn hợp hợp lý bao gồm: cát thô, cát mịn, chất độn mịn, xi măng, nước, một hoặc nhiều loại phụ gia [83],[85]

Hình 1.1 Thành phần vật liệu theo thể tích đặc các loại bê tông.

Chất độn mịn là thành phần quan trọng của bê tông cát Nó có vai trò kéo dài dải cấp phối cốt liệu, nối tiếp với đường cấp phối của cát Nhờ đó mà tăng độ đặc của khung cốt liệu và để giảm lượng xi măng

1.2 Nguyên tắc cấu tạo bê tông cát

Bê tông cát được phân biệt với bê tông thường là có liều lượng cát lớn, không có đá dăm hoặc có nhưng liều lượng nhỏ và có thêm chất độn mịn để cải thiện cấp phối hạt của cốt liệu

Trong thực tế vật liệu bê tông cần có độ đặc cao, vì đó là đặc điểm chính của cấu tạo bê tông Nguyên lý đầu tiên của vật liệu bê tông là cố gắng tái tạo lại một khối đá từ các loại cốt liệu Độ đặc chắc của hỗn hợp như vậy được tạo nên sẽ được điều hòa bởi dải cấp phối của nó, nghĩa là phụ thuộc vào cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu Sự khác biệt của thành phần bê tông thường, bê tông cát và vữa xi măng cát được trình bày ở Hình 1.2

Hình 1.2 Thành phần vật liệu theo thể tích đặc của bê tông thường,

bê tông cát và vữa xi măng cát.

1.3 Các nghiên cứu và sử dụng bê tông cát trên thế giới

Năm 1869 ở Ai cập, ngọn đèn biển cao 52 m ở cảng Said được xây dựng bằng bê tông cát [83] Nhiều nước châu Âu nghiên cứu và ứng dụng bê tông cát [10],[48],[55],[80],[82] để khắc phục khó khăn về nguồn cốt liệu lớn Đường tàu điện ngầm St Pertersburg ở Nga được xây bằng bê tông cát [10],[83] Các nước châu Phi sử dụng bê tông cát dựa trên các nghiên cứu của Châu Âu [33],[67] Tiêu chuẩn ACI 506 của Viện bê tông Mỹ coi bê tông phun cốt sợi là một loại bê tông cát

Như vậy các nghiên cứu và ứng dụng của bê tông cát đã được triển khai nhiều quốc gia trên thế giới và nó đã mang lại hiệu quả kinh tế khi xây dựng ở những vùng lãnh thổ có nhiều cát

1.4 Nghiên cứu bê tông cát ở Việt nam.

Một số tác giả trong nước đã đề xuất những cơ sở khoa học mang tính định hướng về việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông cát trong điều kiện Việt Nam [7],[10],[15],[17], [29]

Trên cơ sở nghiên cứu của thế giới và Việt nam, tác giả đã đăng ký đề tài

nghiên cứu sinh với nội dung như sau: “Nghiên cứu thành phần, tính

chất cơ học và khả năng ứng dụng bê tông cát để xây dựng đường ôtô

ở Việt Nam”

Luận án tập trung giải quyết 3 nội dung chủ yếu sau:

Nghiên cứu về thành phần của bê tông cát trên cơ sở sử dụng các vật liệu sẵn có ở Việt Nam;

Nghiên cứu thực nghiệm xác định cường độ đặc trưng và mô đun đàn hồi của bê tông cát;

Nghiên cứu một số loại kết cấu áo đường sử dụng bê tông cát, nghiên cứu dựa trên cơ sở cường độ đặc trưng và mô đun đàn hồi xác định được

Chương 2: VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ

TÔNG CÁT

2.1 Tổng quát vật liệu chế tạo bê tông cát

Thành phần vật liệu bê tông cát gồm: cát thô, cát mịn, bột mịn, xi măng, nước và phụ gia

2.1.1 Cát

Cát là thành phần cốt liệu chính trong bê tông cát Cát chế tạo bê tông cát có cỡ hạt từ 0đến 5mm đảm bảo thành phần hạt theo TCVN7570:2006 Bê tông cát có thể sử dụng cả cát mịn có Mk<2 và có lượng hạt <0.075mm chiếm đến 10% Cát đảm bảo độ sạch quy định của tiêu chuẩn

2.1.2 Bột mịn

Bột mịn trong thành phần của bê tông cát đóng vai trò là cốt liệu mịn, nó chèn đầy cho khung cốt liệu cát để làm giảm lượng xi măng Bột mịn có hai loại: trơ hoặc hoạt tính Trong nghiên cứu này bột mịn dùng bột đá vôi, là loại bột phổ biến dùng trong bê tông cát

2.1.6 Thiết kế hỗn hợp cốt liệu cho bê tông cát

Để đảm bảo các tính chất cho bê tông cát thường kết hợp các cỡ hạt với

mô đun độ lớn và tỷ diện tích bề mặt của hỗn hợp cát để đưa ra đường cấp phối hợp lý

Nguyên tắc phối hợp cốt liệu của bê tông cát là dựa trên độ đặc của khung cốt liệu cát nhưng vẫn đảm bảo được tính dễ thi công của hỗn hợp Kết hợp khuyến cáo của tài liệu [68] và kinh nghiệm của các nước châu Âu thì thành phần của cốt liệu có thể lấy sai khác ±20% so với thành phần cấp phối của cát dùng cho bê tông thường Nghiên cứu thực nghiệm với các tỷ

lệ phối hợp khác nhau để khảo sát cấp phối cũng như độ đặc của hỗn hợp cốt liệu được trình bày ở Bảng 2.7 và Bảng 2.8, nghiên cứu đề xuất sử dụng cấp phối với đường cong Fuller có giá trị n= 0.36-0.5

Bảng 2.7 Thành phần cấp phối cốt liệu của bê tông cát với các tỷ lệ trộn

0.075 0 0 90 6.30 6.30 6.30 6.30 14.23 0.15 0 8 94.7 8.87 9.27 9.59 10.35 19.71 0.3 5.5 52 98.5 25.03 27.36 29.22 33.63 27.30 0.6 22 83 100 44.54 47.59 50.03 55.83 37.82 1.18 56.5 93 100 69.77 71.59 73.05 76.52 51.97 2.36 79 96.6 100 85.40 86.28 86.98 88.65 71.98 4.75 94.5 99.9 100 96.40 96.67 96.88 97.40 100.00 9.5 100 100 100 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00

Mô đun 3.43 1.68 2.70 2.61 2.54 2.38

M k

S Độ mịn 14,068 38,223 59,247 23,994 25,202 26,168 28,463 Lệch so

Fuller TB 10.29 11.14 11.94 14.15

Hình 2.5 Biểu đồ thành phần cấp phối của cát thô, cát mịn và bột đá

Hình 2.6 Biểu đồ cấp phối hạt của cốt liệu dùng cho bê tông cát

Bảng 2.8 Các chỉ tiêu về khối lượng đơn vị của hỗn hợp hai cát

Hỗn hợp cốt liệu thử nghiệm M0 M7030 M6535 M6040 M5050Khối lượng thể tích đầm chặt

Hình 2.7 Biểu đồ quan hệ độ đặc của khung cốt liệu của bê tông cát với

các tỷ lệ cát mịn khác nhau

Trên cơ sở đường cong cấp phối hạt theo lý thuyết của Fuller [45] và các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đạt được, tỷ lệ thành phần cốt liệu sử dụng cho bê tông cát gồm: cát thô chiếm từ 55% đến 65%, cát mịn từ 28% đến 37% và bột mịn từ 6% đến 9%

2.2 Thiết kế thành phần bê tông cát

2.2.1 Khái quát

Thiết kế thành phần là dựa vào các nguyên tắc chèn đầy khung cốt liệu và cường độ yêu cầu để đưa ra thành phần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật

2.2.2 Các yêu cầu thiết kế

2.2.2.1 Cường độ yêu cầu

Căn cứ theo TCXDVN356:2005, tiêu chuẩn ACI 318, ACI 214, cường

độ yêu cầu là giá trị cường độ đưa vào thiết kế để đạt được mức chất lượng

bê tông theo quy định: fcr’ = fc’+ k.S;

Trong đó fc’ là cường độ đặc trưng; fcr’ cường độ yêu cầu, S: độ lệch chuẩn thực nghiệm; k: Hằng số Himworth phụ thuộc tỷ lệ % giá trị thấp hơn fc’

Đường cong độ đặc của hỗn hợp cát

Đường cong độ đặc của hỗn hợp cốt liệu sau khi cho thêm thành phần bột mịn

2.2.2.2 Các yêu cầu khác

Yêu cầu về tính công tác của hỗn hợp bê tông và độ bền của bê tông cũng được đặt ra khi thiết kế thành phần bê tông cát

2.2.3 Kết quả thiết kế thành phần bê tông cát

Thành phần bê tông thu được dựa trên kết quả thực nghiệm được thể hiện

ở Bảng 2.11 dưới đây

Bảng 2.11 Thành phần bê tông cát và bê tông thường cùng cấp

TT Vật liệu thành phần

Bê tông cát SC30

Bê tông thường NC30

Bê tông cát SC35

Bê tông thường NC35

Bê tông cát SC40

Bê tông thường NC40

1 Xi măng Nghi Sơn PCB40, kg 413 391 456 412 513 500

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TÍNH CHẤT CƠ HỌC

CỦA BÊ TÔNG CÁT

3.1 Kết quả thí nghiệm cơ tính bê tông cát và phân tích

Bê tông cát cấp 35 MPa (SC35), với tỷ lệ N/X = 0.42, có thành phần đã thiết kế trong Bảng 2.11 Kết quả thí nghiệm và một số phân tích được trình bày ở Bảng 3.6

Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm các tính chất của bê tông cát SC35

Các chỉ tiêu cơ học Đơn vị Tuổi bê tông cát, ngày

Tốc độ phát triển Rkun/Rku28 % 81.6 88.6 94.3 100.0Cường độ TN kéo bửa bê tông cát MPa 1.82 2.48 3.02 3.56Tốc độ phát triển Rkbn/Rkb28 % 51.1 69.7 84.8 100.0

Cường độ nén của SC theo Feret (Pháp) Mpa 14.10 24.98 33.87 42.77Cường độ nén của SC theo BK (Nga) Mpa 14.07 24.92 33.79 42.67Cường độ chịu nén của mẫu đối chứng bê

tông xi măng thường NC35 Mpa 17.37 30.78 41.74 52.70

độ chịu nén ở tuổi tiêu chuẩn 28 ngày

Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông cát cao hơn so với cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông thường (cùng có tỷ lệ N/X=0.42) Kết quả này có thể là do hỗn hợp cát và bột mịn của bê tông cát có tỷ diện tích bề mặt lớn hơn so với hỗn hợp cốt liệu của bê tông thường nên diện tích tiếp xúc với

đá xi măng cao, dẫn đến bê tông cát có cường độ kéo khi uốn tăng lên

Hình 3.9 Quan hệ giữa các tính chất cơ học và thời gian của SC35

3.1.1 Xác định độ lệch chuẩn và hệ số phân tán của kết quả thí

nghiệm về cường độ bê tông cát

Bảng 3.10 Cường độ trung bình mục tiêu của các loại bê tông cát

fc’ Công thức fcr’ f

cr’ với mức σ (ACI 214) và tỷ lệ kết quả thí nghiệm thấp hơn fc’ là

5%

Hình 3.13 Đồ thị phân bố xác suất của bê tông SC35

Hình 3.14 Biểu đồ Shewart quản lý chất lượng bê tông cát SC35

trong phòng thí nghiệm

Biểu đồ phân bố xác suất ở Hình 3.13 của các kết quả thí nghiệm, và biểu đồ theo dõi các kết quả thí nghiệm ở Hình 3.14 Đường lý thuyết của cường độ nén trung bình kỳ vọng µ (tính toán) tương ứng với độ lệch chuẩn định trước [ACI 214] đạt giá trị 41.7MPa, nhọn hơn so với đường thực tế từ kết quả khảo sát cường độ của loại bê tông này tương ứng với độ lệch chuẩn thực tế là S = 5.74 MPa Sự sai khác hai giá trị x và µ là 3.71% nằm trong giới hạn chấp nhận được, và giá trị thực đo nằm trong khoảng tin cậy của cường độ kỳ vọng với mức ý nghĩa α = 0.10 (tức là đạt xác suất 90%) Biểu đồ quản lý chất lượng cho thấy rằng giá trị cường độ trung bình thí nghiệm nằm trong giới hạn khoảng tin cậy, hay nói cách khác đạt xác suất 90% của cường độ trung bình dự kiến Vậy cho phép kết luận cường độ nén thí nghiệm có sự phân tán không cao, chất lượng được kiểm soát tốt trong phòng thí nghiệm Phương pháp thiết kế thành phần đã thực hiện đảm bảo yêu cầu độ tin cậy và có thể dùng được với vật liệu bê tông cát

Thí nghiệm xác định cường độ của bê tông cát loại SC30, SC40 cũng được tiến hành theo phương pháp tương tự như đối với loại SC35 Sau khi

xử lý số liệu thống kê, các giá trị cường độ đặc trưng kéo uốn, kéo bửa được trình bày trong Bảng 3.12.

Bảng 3.12 Kết quả thí nghiệm cường độ của bê tông cát sau khi đã xử lý

số liệu thống kê

Các đặc tính tông cát Cấp bê

SC30

Cấp bê tông cát SC35

Cấp bê tông cát SC40

Hệ số phân tán cường độ kéo uốn, % 9.37 10.50 10.24

Tỷ lệ cường độ kéo uốn/cường độ nén 0.15 0.14 0.13

Căn cứ vào kết quả thống kê ở trong Bảng 3.12 có thể rút ra một số nhận xét như sau: Mức độ phân tán kết quả thí nghiệm của mẫu dầm cao hơn so với mẫu nén hoặc mẫu ép chẻ Độ lệch chuẩn của thí nghiệm kéo uốn cao hơn so với thí nghiệm ép chẻ Vì vậy, có thể nói rằng việc chế tạo mẫu dầm

sẽ khó để tạo ra mức độ đồng nhất hơn so với việc chế tạo mẫu trụ, nên chăng trong thực tế thi công để dễ kiểm soát chất lượng hơn nên thí nghiệm trên mẫu trụ

Từ hàm tương quan trình bày ở Hình 3.17, trong phạm vi tỷ lệ N/X từ 0.35-0.55 có thể chọn hàm số để tính cường độ nén yêu cầu dùng trong thiết kế thành phần của bê tông cát trình bày ở công thức

fcr’ = ( / ) 1 09

84 16

X