(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu chế tạo bê tông rỗng thoát nước, ứng dụng trong công trình giao thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Nguyễn Văn Đồng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TƠNG RỖNG THỐT NƯỚC, ỨNG DỤNG TRONG CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã ngành: 9520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – Năm 2021 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Nguyễn Văn Đồng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TƠNG RỖNG THỐT NƯỚC, ỨNG DỤNG TRONG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG Chun ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã ngành: 9520309 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Phạm Hữu Hanh PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn Hà Nội – Năm 2021 luan an LỜI NÓI ĐẦU Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Phạm Hữu Hanh PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn khoa học suốt trình học tập nghiên cứu Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Ðại học Xây dựng Hà Nội, Khoa Vật liệu xây dựng, Khoa Sau đại học, Phòng Khoa học Cơng nghệ, Phịng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu xây dựng, Bộ môn Vật liệu xây dựng, Bộ môn Công nghệ vật liệu xây dựng, Bộ môn Hóa học hỗ trợ, giúp đỡ thời gian qua Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ Tài nguyên môi trường, Công ty Cổ Phần Bê tông Sông đà Việt Đức hỗ trợ tạo điều kiện cho tơi q trình thử nghiệm kết nghiên cứu luận án Xin chân thành cảm ơn toàn thể bạn bè, đồng nghiệp ủng hộ, động viên, khích lệ tơi hồn thành luận án Ðặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình tơi ln sát cánh, giúp đỡ thời gian qua Tác giả luận án luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày Luận án trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác trước Tác giả luận án luan an i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CỤM TỪ VIẾT TẮT .v DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài .1 Mục đích nội dung nghiên cứu 3 Đối tượng, phạm vi nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu .4 Cơ sở khoa học Đóng góp luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG RỖNG THOÁT NƯỚC 1.1 Khái niệm BTRTN 1.2 Nguyên vật liệu sử dụng 1.3 Tính chất kỹ thuật HHBT BTRTN .10 1.3.1 Tính cơng tác hỗn hợp BTRTN 10 1.3.2 Co ngót BTRTN .11 1.3.3 Khối lượng thể tích BTRTN .12 1.3.4 Độ rỗng BTRTN .12 1.3.5 Cường độ nén BTRTN .13 1.3.6 Cường độ kéo uốn BTRTN 14 1.3.7 Tính nước BTRTN 14 1.3.8 Khả chống mài mòn BTRTN 14 1.3.9 Độ bền băng giá BTRTN 15 1.3.10 Khả chống ăn mòn BTRTN 16 1.4 Ưu nhược điểm BTRTN 17 1.4.1 Ưu điểm BTRTN 17 1.4.2 Nhược điểm BTRTN 20 1.5 Tình hình nghiên cứu ứng dụng BTRTN 22 luan an ii 1.5.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng BTRTN giới .22 1.5.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng BTRTN Việt Nam .28 1.6 Những vấn đề cần nghiên cứu 29 1.6.1 Lựa chọn phụ gia khoáng cho BTRTN 29 1.6.2 Ảnh hưởng hồ chất kết dính đến tính chất BTRTN 36 1.6.3 Ảnh hưởng cốt liệu 37 1.6.4 Thiết kế thành phần BTRTN 38 1.6.5 Phân tích cấu trúc rỗng BTRTN .40 1.7 Định hướng luận án 41 CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC CHẾ TẠO BÊ TƠNG RỖNG THỐT NƯỚC .42 2.1 Cơ sở hình thành lỗ rỗng BTRTN 42 2.2 Cơ sở hình thành cường độ BTRTN 48 2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ BTRTN 49 2.2.2 Cơ sở nâng cao cường độ BTRTN 55 2.3 Cơ sở ứng dụng BTRTN cơng trình giao thơng 60 2.3.1 Sự làm việc mặt đường bê tông xi măng tác dụng tải trọng yếu tố tự nhiên 60 2.3.2 Yêu cầu BTRTN ứng dụng cơng trình giao thơng 62 CHƯƠNG VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 63 3.1 Vật liệu sử dụng 63 3.1.1 Xi măng 63 3.1.2 Cốt liệu lớn 63 3.1.3 Cốt liệu nhỏ 64 3.1.4 Tro bay 64 3.1.5 Silica fume 67 3.1.6 Phụ gia hóa học .68 3.1.7 Nước 68 3.2 Phương pháp nghiên cứu 69 luan an iii 3.2.1 Phương pháp tiêu chuẩn 69 3.2.2 Phương pháp phi tiêu chuẩn 75 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 81 4.1 Nghiên cứu lựa chọn chất kết dính dùng cho BTRTN 81 4.1.1 Cấp phối CKD 81 4.1.2 Ảnh hưởng phụ gia đến độ nhớt hồ CKD 82 4.1.3 Ảnh hưởng phụ gia đến cường độ nén đá CKD .86 4.2 Nghiên cứu chế tạo bê tơng rỗng nước 88 4.2.1 Thiết kế thành phần cấp phối BTRTN điển hình (D5C0/20) 88 4.2.2 Ảnh hưởng độ nhớt hồ CKD đến chiều dày tối đa hồ CKD BTRTN 90 4.2.3 Ảnh hưởng độ nhớt hồ CKD tới phân bố độ rỗng theo hướng tạo hình BTRTN .93 4.2.4 Ảnh hưởng cường độ nén đá CKD đến cường độ nén BTRTN .99 4.2.5 Ảnh hưởng cốt liệu nhỏ tới tính chất BTRTN 103 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM BÊ TƠNG RỖNG THỐT NƯỚC TRONG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG 130 5.1 Lựa chọn kết cấu đường sử dụng BTRTN 132 5.1.1 Kết cấu đường sử dụng BTRTN làm lớp áo mặt đường .132 5.1.2 Kết cấu đường sử dụng gạch block BTRTN 132 5.2 Cấp phối thử nghiệm 133 5.3 Quy trình thi công BTRTN 134 5.3.1 Quy trình trộn BTRTN nhà máy 134 5.3.2 Quy trình chế tạo gạch block BTRTN 134 5.3.3 Quy trình thi cơng BTRTN đổ chỗ làm lớp áo mặt đường .135 5.4 Kiểm tra số tính chất BTRTN trường 137 5.4.1 Xác định tính cơng tác hỗn hợp bê tông kinh nghiệm 137 5.4.3 Xác định hệ số nước ngồi trường .139 KẾT LUẬN 143 luan an iv DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 145 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 146 PHỤ LỤC PL1 Phụ lục Tính tốn cấp phối điển hình D5C0/20 PL1 Phụ lục Kết cấu đường sử dụng bê tơng rỗng nước PL3 Phụ lục Tính tốn khả chịu tải lớp áo mặt đường từ BTRTN PL9 Phụ lục Kết thí nghiệm PL12 Phụ lục Hình ảnh thí nghiệm thực tế PL18 luan an v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CỤM TỪ VIẾT TẮT TT KÝ HIỆU Ý NGHĨA 𝛿𝑚𝑎𝑥 Chiều dày tối đa hồ chất kết dính bọc xung quanh bề mặt hạt cốt liệu lớn 𝜌𝐶𝐾𝐷 Khối lượng riêng hỗn hợp chất kết dính 𝜌𝑁 Khối lượng riêng nước 𝜌𝑃𝐺 Khối lượng riêng phụ gia 𝜌𝑋 Khối lượng riêng xi măng 𝜌𝑣𝑐𝑐 Khối lượng thể tích chọc chặt hỗn hợp cốt liệu C CL/X đ Độ đặc 10 Kt Hệ số thoát nước 11 MCL 12 N 13 N/CKD 14 N/X 15 r 16 Rku Cường độ kéo uốn bê tông 17 Rn Cường độ nén bê tông 18 T Cường độ ép chẻ bê tơng 19 VBT Thể tích hỗn hợp bê tơng 20 VCL Thể tích đặc cốt liệu bê tơng 21 VH Thể tích hồ 22 Vr Thể tích rỗng bê tông 23 X Xi măng 24 ACI 25 ASTM Hiệp hội thí nghiệm vật liệu Hoa kỳ (American Society for Testing and Materials) 26 BTRTN Bê tơng rỗng nước Cát Tỷ lệ cốt liệu/xi măng theo khối lượng Khối lượng cốt liệu lớn bê tơng Nước Tỷ lệ nước chất kết dính theo khối lượng Tỷ lệ nước xi măng theo khối lượng Độ rỗng Viện bê tông Hoa kỳ (American Concrete Institute) luan an vi Ý NGHĨA TT KÝ HIỆU 27 CCP Sản phẩm đốt than (Coal combustion product) 28 CH Canxi hydroxit 29 CKD 30 CL 31 CLL Cốt liệu lớn 32 CLN Cốt liệu nhỏ 33 CSH mCaO.nSiO2.pH2O (Hydrosilicat canxi) 34 EPA Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (United States Chất kết dính Cốt liệu Environmental Protection Agency) 35 FA Tro bay (Fly ash) 36 GBFS Xỉ lị cao hạt hóa nghiền mịn (Ground Blast Furnace Slag) 37 HHBT Hỗn hợp bê tông 38 ITZ Vùng chuyển tiếp/tiếp xúc đá xi măng với cốt liệu (Interfacial Transition Zone) 39 KLTT Khối lượng thể tích 40 LEED Dẫn đầu thiết kế Môi trường Năng lượng (Leadership in Energy and Environmental Design) 41 MK Mêta cao lanh 42 MKN Mất nung 43 PC 44 PCB Xi măng poóc lăng hỗn hợp (Portland cement blended) 45 PGK Phụ gia khoáng 46 PGSD Phụ gia siêu dẻo 47 RHA Tro trấu (Rice Husk Ash) 48 SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) 49 SF 50 TCVN 51 XRD Xi măng poóc lăng (Portland cement) Silica fume Tiêu chuẩn Việt Nam Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction) luan an PL6 Sau tính tốn thể tích bê tơng rỗng nước (thể tích trữ nước) Vr so sánh với tổng thể tích chứa nước lớp Vs thể tích chứa nước lớp bê tơng Vp, kết so sánh âm, khơng cần điều chỉnh thêm, dương, cần tính tốn lại lớp trữ nước Lớp đá base có cấp phối hạt theo đường số 57 (ASTM C33) [16] với độ rỗng khoảng 30% thường tính thêm vào Cuốn sổ tay hướng dẫn Hiệp hội bê tơng sản phẩm bê tơng Florida [109] cịn đưa giải pháp khác tính tốn khả trữ nước bãi đỗ xe, lượng nước mưa, thời gian thoát nước sau bão Theo phương pháp Hội đồng vùng Atlanta (ARC), (trích Sổ tay Phịng chống bão lũ bang Georgia) [74] Yêu cầu thiết kế yêu cầu kỹ thuật Mặt cắt tài liệu ARC thường bao gồm lớp, mơ tả hình Lớp cốt liệu có nhiệm vụ trữ nước không cần thiết trường hợp cát Mỗi lớp mơ tả đây: • Lớp bê tơng rỗng nước —Lớp bê tơng thường có chiều dày từ 100 đến 300 mm, phụ thuộc vào yêu cầu chịu lực yêu cầu thiết kế áo đường BTRTN có độ rỗng từ 12 đến 35%, tùy vào yêu cầu thiết kế • Lớp lọc trên—Lớp gồm lớp đá dăm (kích thước hạt 13mm) với bề dày từ 25 đến 50 mm, lớp gộp chung với lớp trữ nước cách sử dụng loại đá hợp lý; • Lớp trữ nước —Là lớp sỏi thiên nhiên có kích thước từ 38 đến 64 mm với độ rỗng xấp xỉ 40% Chiều dày lớp phụ thuộc vào yêu cầu trữ nước, vốn phụ thuộc vào tốc độ thấm độ rỗng lớp nền; thường vào khoảng từ 0,61 đến 1,2 m Lớp có chiều dày tối thiểu 230 mm Lớp thường thiết kế cho hồn tồn nước vịng 48 tiếng Lớp trữ nước thiết kế để chứa Thể tích nước mưa (WQv) • Lớp lọc đáy—có thể lớp cát với chiều dày 150 mm lớp đá dăm (kích thước 13 mm) với chiều dày 50 mm, nhằm tăng q trình ngấm nước tồn luan an PL7 diện tích Lớp giúp ổn định lớp trữ nước, bảo vệ lớp khỏi tác động nén từ trên, lớp liên kết lớp trữ nước phía với lớp vải địa kỹ thuật phía • Lớp vải địa kỹ thuật—Lớp vải địa kỹ thuật đóng vai trị quan trọng việc ngăn cản đất thấm ngược lên phía lớp trữ nước, làm giảm khả trữ nước Tổng thể tích rỗng lớp tối thiểu phải thể tích nước lũ Các lớp chứa nước gồm có lớp áo đường, lớp trữ nước lớp Ví dụ tính tốn Một bãi đỗ xe có diện tích 6070 m2 có u cầu thiết kế hệ thống xử lý nước mưa lũ sử dụng BTRTN có số liệu yêu cầu sau: • Khoan thăm dị cho biết khoảng cách đến mực nước ngầm 1,5 m • Lớp đất đất cát pha sét với hệ số thoát nước k = 25,9 mm/giờ; • Chiều dày lớp bê tơng rỗng nước tối thiểu 75 mm Thể tích nước mưa lũ WQv Rv = 0,05 + 0,009I (với I = 100%) Rv = 0,95 với Rv hệ số dòng nước, I phần trăm lớp khơng thấm nước WQv = 30,5 × Rv × A × (m)/1000 (mm)( m3) = 30,5 × 0,95 × 6070 m2 × (m)/1000(mm) = 175,9 m3 Diện tích lớp mặt Lớp BTRTN có độ rỗng 18% lớp sỏi có độ rỗng 32% Tồn kết cấu thiết kế để hồn tồn nước mưa lũ từ 24 đến 48 tiếng sau mưa Thời gian chứa đầy nước T=2 tiếng Chọn lớp sỏi có bề dày 0,91 m, diện tích lớp mặt nước xác định theo công thức: A = WQv/(ngdg + kT/1000 + npdp) = 175,9 m3/(0,32 × 0,91 m + 25,9 mm/h × h/1000 + 0,18× 0,075 m) = 493 m2 luan an PL8 Trong đó: A = diện tích lớp mặt , (m2) WQv = thể tích nước mưa lũ, (m3) n = độ rỗng (g lớp sỏi, p lớp bê tông) d = chiều sau lớp (g lớp sỏi, p lớp bê tơng), (m) k = Hệ số nước, mm/h T = thời gian chứa nước, Kiểm tra thời gian thoát nước Chiều dày = 910 mm + 75 mm = 985 mm Hệ số thoát nước BTRTN đạt yêu cầu luan an PL9 Phụ lục Tính toán khả chịu tải lớp áo mặt đường từ BTRTN Hiện chưa có phương pháp cụ thể để kiểm tính khả chịu tải BTRTN, tác giả dựa theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT (kiểm tính mặt đường bê tơng xi măng) để tính toán sau: Số liệu đầu vào a Đường nội bộ, tương đương cấp IV làm hai xe; b Tải trọng trục tiêu chuẩn Ps = 100 kN (để tính mỏi); c Qua điều tra, dự báo đường có trục xe nặng Pmax = 150kN thơng qua (Vẫn xét đến trường hợp có xe có tải trọng nặng qua với số lượng nhỏ nên ta xét Pmax=150kN); d Số lần tác dụng quy đổi trục xe tiêu chuẩn Ps=100kN tích lũy Ne=104 lần/làn thời hạn phục vụ thiết kế 15 năm (Quy mô giao thông thiết kế thuộc cấp nhẹ) Kết cấu mặt đường a Tầng mặt BTXM dầy 0.20m, cường độ kéo uốn thiết kế fr = 40 MPa, tra bảng 11 QĐ 3230 có trị số mơ đun đàn hồi tính tốn Ec=29GPa; hệ số poisson c= 0,15; sử dụng cốt liệu đá vôi nên theo bảng 10 QĐ 3230 lấy hệ số dãn nở nhiệt c = 7.10-6/°C b Tấm BTXM có kích thước 4mx3m; c Lớp móng cấp phối đá dăm có mơ đun đàn hồi 300MPa dự kiến dày 0,20m đặt trực tiếp đất; không cần thiết kế lớp móng quy mơ giao thơng thuộc cấp nhẹ d Nền đất có mơ đun đàn hồi 40MPa Kiểm toán kết cấu dự kiến theo dẫn a Theo cơng thức (8-8) tính tốn Ex với lớp móng h1 = 0,2m; E1=300MPa  h E   h E  h h n Ex i n i i 1  300MPa luan an PL10 b Theo (8-10): hx =  n hi  h1  0, 0,22mm c Theo (8-9):  = 0,86+0,26lnhx = 0,86+0,26ln0.2 = 0,44  E   300  d Theo (8-7): Et   x  Eo     40   Eo  e Theo (8-6): Dc  1/3 D  r  1.21 c   Et  0,44 40 =97,37  97.37MPa MPa 33 29000×0,2 Ec hc3 29000  0, 21 = = 22,896  22.896 MN.m; 12 1  c2  1212(1−0,15 1  0,1522) 1/3  22.896   1, 21    97.37  0,747  0, 747 m; g Tính ứng suất tải trọng xe: - Theo (8-6) tính ps với Ps =100 kN ps = 1,47 x 10-3 x r0,70 x hc-2 x Ps0-94 = 1,47x10-3x0,7470,70x0,2-2x1000,94 = 1,94 MPa; - Theo (8-6) tính ứng suất ps với Ps = Pm = 150 kN; ps = pm = 1,47 x 10-3 x r0,70 x hc-2 x Ps0,94 = 1,47x10-3x0,7470,70x0,20-2x1500,94 = 2,48 MPa; - Theo (8-5) tính được: pr = kr kf kc ps kr = (lề đất); kc = 1,0 đường cấp IV); kf  Ne0,057 từ có: pr = kr kf kc ps = 1,0x1,69x1,0x1,94= 3,278 MPa; - Theo (8-15) tính pmax = kr.kc.pm=1,0x1,0x2,48=2,48 MPa; h Tính ứng suất nhiệt theo điều 8.3.6 [7] t L =   1,785 1.785; 3.r 3.0, 747 CL   Sht cos t  Cht sin t cos t sin t  Sht.Cht  1 sh1.785.cos1.785  ch1.785.sin1.785 0,726  0, 726; cos1.785.sin1.785  sh1.785ch1.785 BL = 1,77.e-4,48.hc CL – 0,131 (1 - CL)= 1,77 e-4,48.0,21x0,726 -0,131 (1 -0,726) = 0,466;  t max   c hc Ec Tg BL 5 = 10 0, 2.29000.86 0, 466 1,22 1.22 MPa Với Tg = 86°C/m luan an PL11 - Tính hệ số mỏi nhiệt kt theo (8-19)[6] bt 1,287  4.5   f r    t max   1.22   at   kt   c  0,871  0.071 0,337;    0,337  t    t max   f r  1.22  4.5       - Theo (8-16) tính ứng suất nhiệt gây mỏi: tr = kt max = 0,337x1,22 = 0,41 MPa i Kiểm toán điều kiện giới hạn: Tuyến đường thiết kế thuộc cấp IV nên lấy độ tin cậy r = 1,04 từ đó: - Theo điều kiện (8-1) r (pr + tr) ≤ fr hay 1,04x(3,276+0,41) = 3,84MPa ≤ 4,0 MPa; - Theo điều kiện (8-2) r (pmax + tmax) ≤ fr hay 1,04x(2,48+1,22) = 3,85 MPa ≤ 4,0 MPa;  Kết luận: Kết cấu mặt đường BTRTN gồm: 20cm tầng mặt BTRTN, lớp móng cấp phối đá dăm dày 20cm đạt điều kiện giới hạn cho phép luan an PL12 Phụ lục Kết thí nghiệm luan an PL13 luan an PL14 luan an PL15 luan an PL16 luan an PL17 luan an PL18 Phụ lục Hình ảnh thí nghiệm thực tế Trộn HHBT phịng thí nghiệm HHBT sau trộn Thí nghiệm xác định lượng hồ CKD dư Mẫu trước thử cường độ nén luan an Mẫu trước thử tính thấm PL19 Thí nghiệm xác định cường độ Mặt khu vực thử nghiệm Thi công hỗn hợp bê tông luan an PL20 Đúc viên gạch dạng lục giác Cơng trình sau hồn thành Cơng tác kiểm tra trường luan an ... nêu nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu chế tạo bê tơng rỗng nước, ứng dụng cơng trình giao thơng” Mục đích nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo BTRTN sở nguyên vật liệu sẵn có Việt... hình nghiên cứu ứng dụng BTRTN 22 luan an ii 1.5.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng BTRTN giới .22 1.5.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng BTRTN Việt Nam .28 1.6 Những vấn đề cần nghiên cứu. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Nguyễn Văn Đồng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TƠNG RỖNG THỐT NƯỚC, ỨNG DỤNG TRONG CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật vật