Nghiên cứu xác định cường độ bê tông xi măng dùng cát xay bằng phương pháp không phá hoại,luận văn thạc sỹ xây dựng đường ô tô và đường thành phố

1 PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Do tính ứng dụng rộng rãi bê tơng xi măng (BTXM) thực tế, đặc biệt sử dụng xây dựng đường ô tô khu vực Nam Bộ, nguồn cát vàng có chất lượng tốt để sản xuất BTXM ngày khan giá tăng cao câu hỏi lớn mà ngành công nghiệp xây dựng khu vực phải suy nghĩ Tìm kiếm giải pháp thay hữu hiệu cát tự nhiên hạt to điều cần thiết Do thiếu hụt cát tự nhiên nên cát xay đóng vai trị quan trọng thành phần BTXM Để đánh giá chất lượng cấu kiện BTXM cơng trình xây dựng, thường đúc mẫu thí nghiệm sử dụng phương pháp nén phá hoại Tuy nhiên, thực tế chất lượng cấu kiện bê tơng sau thi cơng cịn phụ thuộc nhiều yếu tố khác như: trình đầm lèn, nhiệt độ đổ bê tông, điều kiện thời tiết q trình bảo dưỡng bê tơng….Để kiểm tra chất lượng BTXM công trường thường dùng phương pháp khoan lõi (mẫu) thí nghiệm nén để xác định cường độ BTXM Điều gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả chịu lực, thay đổi hình dạng ban đầu giảm tính mỹ quan cơng trình Vì phương pháp khơng phá hoại để xác định chất lượng BTXM sau thi công, đảm bảo hình dạng ban đầu kết cấu cơng trình cần thiết Thực tế vận tốc xung siêu âm xác định phép đo trực tiếp phép đo không trực tiếp vùng kiểm tra khác Trong TCXD 225 : 1998 ”Bê tông nặng – Đánh giá chất lượng bê tông – Phương pháp xác định vận tốc xung siêu âm” chưa có hướng dẫn cụ thể mối quan hệ chúng Mặt khác cát xay có tính chất lý khác với cát tự nhiên, đặc biệt tính chất bề mặt hình dạng hạt cát xay góc cạnh so với cát tự nhiên nên sử dụng cát xay sản xuất BTXM làm cho cấu trúc bê tông khác với sử dụng cát tự nhiên dẫn đến tốc độ truyền sóng bê tông sử dụng cát tự nhiên cát xay khác Trong tiêu chuẩn hành, BTXM truyền thống sử dụng cát tự nhiên xác định cường độ BTXM phương pháp siêu âm kết hợp súng bật nẩy tối đa 35 MPa Trong cường độ chịu kéo uốn BTXM làm mặt đường theo QĐ 1951/QĐ– BGTVT có Ru ≥ 4.5 MPa (tương ứng với Rn ≥ 36 MPa ) Vì đề tài : “Nghiên cứu xác định cường độ bê tông xi măng dùng cát xay phương pháp khơng phá hoại” có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Mục tiêu nghiên cứu đề tài Mục tiêu đề tài tập trung giải vấn đề sau: Xác định cường độ BTXM có sử dụng cát xay xây dựng đường ô tô phương pháp không phá hoại: Phương pháp sử dụng súng bật nẩy, phương pháp sử dụng vận tốc xung siêu âm, phương pháp kết hợp vận tốc xung siêu âm súng bật nẩy Thiết lập mối quan hệ cường độ chịu nén, kéo uốn BTXM có sử dụng cát xay với vận tốc xung siêu âm (trực tiếp, gián tiếp, bán trực tiếp) kết hợp súng bật nẩy Đối tượng nghiên cứu BTXM sử dụng cát xay xây dựng đường ô tô; xác định cường độ chịu nén kéo uốn BTXM phương pháp không phá hoại Phạm vi nghiên cứu Xác định cường độ BTXM sử dụng cát xay hợp chuẩn mỏ đá Tân Đơng Hiệp, Dĩ An, Bình Dương xây dựng đường ô tô phương pháp không phá hoại có cường độ từ 20  40 MPa Thiết lập mối quan hệ cường độ chịu nén, kéo uốn BTXM sử dụng cát xay với vận tốc xung siêu âm (trực tiếp, gián tiếp, bán trực tiếp), súng bật nẩy vận tốc xung siêu âm kết hợp súng bật nẩy Phương pháp nghiên cứu Khảo sát, phân tích thống kê kết nghiên cứu để có nhìn tổng qt việc sử dụng cát xay BTXM giới Việt Nam Các nghiên cứu công bố nhằm xác định cường độ BTXM phương pháp khơng phá hoại Khảo sát, phân tích thực nghiệm để xác định tính chất lý cát xay sản xuất BTXM dùng xây dựng đường ô tô Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm; tiến hành thiết kế, đúc mẫu, thí nghiệm phân tích số liệu thí nghiệm đưa kết nghiên cứu Nội dung luận án +) Phần mở đầu : Tính cấp thiết đề tài, mục tiêu, đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu +) Chương 1: Tổng quan nghiên cứu xác định cường độ bê tông xi măng dùng cát xay phương pháp không phá hoại xây dựng đường ô tô +) Chương 2: Các phương pháp xác định cường độ thiết kế thành phần cấp phối bê tông xi măng +) Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm thiết lập mối quan hệ để xác định cường độ BTXM dùng cát xay phương pháp không phá hoại +) Phần kết luận, kiến nghị dự kiến hướng nghiên cứu Chương I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ BTXM DÙNG CÁT XAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHÔNG PHÁ HOẠI TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 Tổng quan cát xay Cát xay loại cát nghiền từ đá với tỷ lệ hạt từ 150 µm đến mm Có nhiều tên gọi khác cát cơng nghiệp, cát nhân tạo, cát sản xuất, cát nghiền, cát gia cơng [8], [20] đảm bảo u cầu tính chất lý, hóa cốt liệu nhỏ thay hồn tồn phần cát tự nhiên bê tông xi măng Cát xay có đặc điểm hình dạng bề mặt hạt góc cạnh nhám bề mặt so với hạt cát tự nhiên Hình 1.1: Cát xay Sử dụng cát xay có ưu điểm định so với cát tự nhiên; cát xay xay khu vực gần cơng trường xây dựng, giảm chi phí vận chuyển [20] Việc sử dụng cát xay bảo vệ mơi trường sơng ngịi, hạn chế việc nạo vét lịng sơng để khai thác cát gây sạt lở bờ sông Tuy nhiên, việc sử dụng cát xay sản xuất BTXM có khó khăn định liên quan đến hình dạng hạt cát; cát xay có hình dạng bề mặt sần sùi khơng ổn định nên làm cho bê tơng khó nhào trộn tính cơng tác bê tơng tươi Nhưng bề mặt góc cạnh, sần sùi dẫn đến ma sát đá xi măng cao, làm cho cường độ BTXM sử dụng cát xay cải thiện đáng kể [7], [8] Cát xay có thành phần tính chất khác với cát tự nhiên, để thay cát tự nhiên, đảm bảo tính chất cơng nghệ bê tơng ổn định lâu dài cho chất lượng công trình, cần có nghiên cứu cơng phu, khoa học từ nguồn gốc đá đến công nghệ sản xuất giải pháp kỹ thuật, công nghệ thi công Hình 1.2: Máy nghiền cát từ đá nội địa vận hành Cơng ty Cổ phần Đá Phước Hịa, Bà Rịa – Vũng Tàu 1.2 Các nghiên cứu có sử dụng cát xay chế tạo bê tông xi măng giới Việt Nam 1.2.1 Trên giới Trên giới cát nhân tạo (cát xay) dùng phổ biến xây dựng: Tại Bồ Đào Nha, Anh, Pháp, Ý, Trung Quốc, Nhật Bản, Singapor,… người ta nghiên cứu, sản xuất sử dụng cát xay từ lâu [8] Với cơng nghệ, máy móc đại nước giới sản xuất loại cát xay có ưu định Cát xay dùng rộng rãi để thay cát tự nhiên cạn kiệt mà tính chất đặc biệt nó: Hạt cát đồng hơn, điều chỉnh mơ đun tỷ lệ thành phần hạt theo yêu cầu cấp phối cho loại bê tông khác (như bê tông xi măng thông thường, bê tông đầm lăn, bê tông mác cao, bê tông asphalt, ) [7] Nếu sản xuất cát xay đảm bảo yêu cầu xây dựng, chủ động việc sử dụng cát để chế tạo BTXM nguồn vật liệu cung cấp để sản xuất cát xay lớn Nghiền đá thành cát thay cát tự nhiên giải pháp nước công nghiệp phát triển giới thực khoảng 20 năm Giải pháp hạn chế tối đa việc khai thác cát tự nhiên dẫn tới việc sạt lở bờ, thay đổi dịng chảy ảnh hưởng tới mơi trường Các báo cáo Trung tâm Quốc tế Nghiên cứu cốt liệu (ICAR) tháng năm 1992 hoạt động chung Đại học Texas cung cấp nhiều kết thiết thực thuộc tính cốt liệu ứng dụng cát xay bê tông Các nhà nghiên cứu Viện bê tông Thụy Điển (CBI) Viện Nghiên cứu Kỹ thuật Thụy Điển (SP) tham gia vào nghiên cứu ứng dụng liên quan đến cát xay dùng bê tông [7] Tại Nhật Bản, công ty sản xuất lượng Kemco Kotobuki phát triển V7, hệ thống làm cát khô, với máy US7-VSI cấp sáng chế máy nghiền cấp sáng chế máy lọc khơng khí Ngày nay, nhiều nhà máy sản xuất thiết bị nghiền cát xay đặt Trung Quốc, ví dụ công ty sản xuất máy nghiền Zenith Thượng Hải Công ty máy nghiền số công Tại hội nghị “Sản xuất cát xay đá xây dựng chất lượng cao theo công nghệ mới”, ngày 02-12-2011 Liên bang Nga, đại diện hãng NewTechnologies cho : Sử dụng cát xay tăng 10 % độ bền cơng trình, việc sử dụng cát xay giúp tiết kiệm lượng xi măng thời gian thực cơng trình [3] Hình 1.3 : Đập thủy điện Tam Hiệp (Trung Quốc) lớn giới 1.2.2 Ở Việt Nam Mặc dù có tiêu chuẩn hướng dẫn sử dụng cát nhân tạo dùng bê tông vữa yêu cầu kỹ thuật cát nhân tạo tiêu chuẩn xuất phát từ nghiên cứu phục vụ cho xây dựng thủy điện Sơn La, cát xay sử dụng chế tạo bê tơng dùng xây dựng đường tơ bắt đầu Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận Tải nghiên cứu gần thông qua đề tài nghiên cứu cấp Bộ (GTVT) : Nghiên cứu ứng dụng cát xay dùng bê tông xi măng bê tông nhựa Việt Nam năm 2011 ThS.Nguyễn Đức Trọng nghiên cứu thông qua đề tài : Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu kinh tế - kỹ thuật sử dụng cát xay chế tạo hỗn hợp bê tông xi măng khu vực Đông Nam Bộ - năm 2011 [8] Ở Việt Nam: Bê tông cho thủy điện Sơn La, Đồng Nai & 4, sơng Tranh, Đắc Tít (Đắc Nơng), Bản Vẽ (Nghệ An), Hầm Thủ Thiêm (TP.HCM) triển khai xây dựng sử dụng cát xay Dây chuyền sản xuất cát xay vào hoạt động Bình Dương, Đồng Nai Bà Rịa Vũng Tàu với chất lượng cát xay tốt Hình 1.4 : Thủy điện Sơn La Hình 1.5 : Hầm Thủ Thiêm - TP.HCM 1.3 Các tính chất lý số mỏ cát xay khu vực Đông Nam Bộ Để xác định tính chất lý cát theo TCVN 7572:2006, sử dụng phương pháp tổng hợp Bảng 1.1 Bảng 1.1: Các phương pháp xác định tiêu lý cát Các tính chất lý cát STT Phương pháp xác định Xác định thành phần hạt Xác định khối lượng riêng, khối lượng thể TCVN 7572-4: 2006 [10] tích Xác định khối lượng thể tích xốp TCVN 7572-6: 2006 [10] Xác định độ ẩm TCVN 7572-7: 2006 [10] Xác định hàm lượng bùn, bụi, sét cốt liệu TCVN 7572-8 : 2006 [10] Xác định tạp chất hữu TCVN 7572-9 : 2006 [10] TCVN 7572-2: 2006 [10] Qua thu thập số liệu nghiên cứu cơng bố tính chất lý cát xay số mỏ đá khu vực Đông Nam Bộ sau: 1.3.1 Các tính chất lý cát xay từ mỏ đá Hóa An [7], [8] Bảng 1.2: Phân tích tính chất lý cát xay từ mỏ đá Hóa An Tên tiêu thử nghiệm Đơn vị Phương pháp thử Kết Đánh giá 1- Khối lượng thể tích xốp g/cm3 TCVN 7572-6:2006 1.665 Đạt 2- Khối lượng riêng g/cm3 TCVN 7572-4:2006 2.782 Đạt 3- Độ xốp % TCVN 7572-6:2006 40.15 Đạt So màu TCVN 7572-9:2006 Màu chuẩn Đạt 5- Hàm lượng bụi bùn sét % TCVN 7572-8:2006 2.52 Đạt 6- Mô đun độ lớn - TCVN 7572-2:2006 3.72 Đạt 7- Thành phần hạt - TCVN 7572-2:2006 Biểu đồ không đạt 4- Hàm lượng tạp chất hữu 8- Cường độ đá gốc (nén khô) MPa TCVN 7572-10:2006 139.7 Đạt 9- Cường độ đá gốc (nén bhòa) MPa TCVN 7572-10:2006 133.5 Đạt 10- Độ mài mòn LA Đạt % TCVN 7572-12:2006 16.1 Bảng 1.3: Kết phân tích thành phần hạt cát xay từ mỏ đá Hóa An 10 Kích thước mắt sàng (mm) Khối lượng tích lũy sàng (g) 5.00 197.2 8.96 91.04 2.50 860.9 39.14 60.86 1.25 1422.0 64.64 35.36 0.63 1780.7 80.95 19.05 0.315 2015.5 91.62 8.38 0.14 2101.1 95.51 4.49 35 MPa Từ kết nghiên cứu cơng bố nhận thấy cát xay có tính chất lý khác với cát tự nhiên, đặc biệt tính chất bề mặt nên làm cho tốc độ truyền sóng BTXM sử dụng cát xay cát tự nhiên khác Vì đề tài: “Nghiên cứu xác định cường độ bê tông xi măng dùng cát xay phương pháp không phá hoại” có ý nghĩa khoa học thực tiễn c Trong phương pháp để xác định cường độ cấu kiện BTXM kiểm tra phương pháp phá hoại có độ xác tốt Tuy nhiên sử dụng phương pháp phá hoại có hạn chế định phân 84 tích nên việc sử dụng phương pháp không phá hoại để xác định cường độ chịu nén kéo uốn bê tông thông qua vận tốc xung siêu âm cách truyền trực tiếp, gián tiếp bán trực tiếp bắn súng bật nẩy đề xuất Trong vận tốc xung siêu âm cách truyền trực tiếp cho độ phân tán nhất, vận tốc xung siêu âm cách truyền bán trực tiếp cho độ phân tán lớn d Từ kết thực nghiệm, nghiên cứu lập phương trình tương quan biểu diễn quan hệ cường độ chịu nén kéo uốn bê tông xi măng sử dụng cát xay trị số bắn súng bật nẩy, tốc độ truyền sóng xung siêu âm theo cách truyền trực tiếp, gián tiếp bán trực tiếp * Mối quan hệ cường độ bê tông vận tốc truyền sóng xung siêu âm - Cường độ chịu nén (Rn) vận tốc truyền sóng xung siêu âm (v): Siêu âm trực tiếp: Rn = F(v) = 1.58x10-25 v7.15; R2 = 0.838 Siêu âm gián tiếp: Rn = F(v) = 2.25x10-24 v6.85; R2 = 0.830 Siêu âm bán trực tiếp: Rn = F(v) = 6.14x10-26v7.25; R2 = 0.824 - Cường độ chịu kéo uốn (Ru) vận tốc truyền sóng xung siêu âm (v): Siêu âm trực tiếp: Ru = F(v) = 1.954x10-24 v6.616; R2 = 0.8422 Siêu âm gián tiếp: Ru = F(v) = 3.137x10-25 v6.842; R2 = 0.8355 Siêu âm bán trực tiếp: Ru = F(v) = 4.343x10-28 v7.599; R2 = 0.8062 * Mối quan hệ cường độ bê tông trị số bắn súng bật nẩy (n) - Cường độ chịu nén (Rn) trị số bắn súng bật nẩy (n): Rn = F(n) = 4.24x10-3 n2.6; R2 = 0.93 85 - Cường độ chịu kéo uốn (Ru) trị số bắn súng bật nẩy (n): Ru = F(n) = 1.40x10-2 n1.69; R2 = 0.972 * Mối quan hệ cường độ bê tông với vận tốc truyền sóng xung siêu âm (v) súng bật nẩy (n) - Cường độ chịu nén (Rn) ~ v & n n v Siêu âm trực tiếp: Rn  0.02 x1.04438 x1.00124 ; R2 = 0.977 n v Siêu âm gián tiếp: Rn  0.02 x1.04616 x1.00122 ; R2 = 0.956 n v Siêu âm bán trực tiếp: Rn  0.01x1.04853 x1.00132 ; R2 = 0.962 - Cường độ chịu kéo uốn (Ru) ~ v & n n v Siêu âm trực tiếp: Ru  0.16 x1.04006 x1.00045 ; R2 = 0.988 n v Siêu âm gián tiếp: Ru  0.19 x1.04208 x1.00040 ; R2 = 0.977 n v Siêu âm bán trực tiếp: Ru  0.13x1.04173 x1.00047 ; R2 = 0.982 Kết thực nghiệm cho thấy cường độ chịu nén kéo uốn bê tông xi măng tỷ lệ thuận với vận tốc truyền sóng trị số bắn súng bật nẩy Thơng qua phương trình tương quan ta xác định cường độ chịu nén kéo uốn BTXM sử dụng cát xay làm mặt đường biết trị số bắn súng bật nẩy vận tốc truyền sóng cách truyền trực tiếp, bán trực tiếp, gián tiếp Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo: a Các phương trình thực nghiệm thiết lập với thành phần BTXM sử dụng cát xay hợp chuẩn có cường độ từ 2040 MPa đầm lèn điều kiện tiêu chuẩn Để đưa kết nghiên cứu vào sử dụng 86 thực tế cần tiến hành nghiên cứu với nhiều loại cấp phối bê tông với hệ số đầm chặt khác (khác với tiêu chuẩn) tính tiện lợi phương pháp tăng lên b Nghiên cứu với nhiều loại BTXM sử dụng loại cát xay vùng miền khác Từ thiết lập phương trình thực nghiệm có độ tin cậy cao giúp cho việc đánh giá kết xác