Nghiên cứu các tính chất cơ lý của cát và sỏi sông cầu

Nghiên cứu khoa học sinh viên 2010 MỤC LỤC Mục lục…………………………………… …………………………………… Phần mở đầu………………………………………………….………………… Chương Tổng quan việc sử dụng vật liệu cát sỏi 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Đặc điểm vật liêu bê tông 1.1.2 Đặc điểm cốt liệu 1.1.3 So sánh tính chất sỏi đá dăm 1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng sỏi giới 1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng sỏi việt nam .8 Chương Vật liệu phương pháp nghiên cứu 10 2.1 Nguyên vật liệu sử dụng đề tài 10 2.1.1 Mở đầu .10 2.1.2 Sỏi 11 2.2 Đá dăm thái nguyên 12 2.3 Phương pháp nghiên cứu .13 2.3.1 Các tính chất kỹ thuật .14 Chương So sánh tính chất lý sỏi đá dăm 28 3.1 Cốt liệu lớn – sỏi sông cầu 28 3.1.1 Các tính chất lý sỏi sông cầu 28 3.1.2 Thành phần hạt sỏi .28 3.1.3 Xác định cường độ nén dập sỏi trạng thái khô 30 3.2 Tính chất đá dăm 31 3.2.1 Các tính chất lý đá dăm 31 3.2.2 Thành phần hạt đá dăm 31 3.3 Thiết kế thành phần hạt bê tông 32 3.3.1 Phương pháp rothfuchs 33 3.3.2 Phương pháp nomograma 36 3.4 Tính thẩm mỹ sỏi đá dăm 38 Kết luận kiến nghị…………………………………………………………… 41 Tài liệu tham khảo 42 Khoa Quản lý Công Nghiệp Môi trường Trang Nghiên cứu khoa học sinh viên 2010 PHẦN MỞ ĐẦU Sự phát triển ngành kỹ thuật nói chung ngành xây dựng nói riêng liên quan mật thiết đến vật liệu Ở lĩnh vực cần đến vật liệu với tính ngày đa dạng chất lượng ngày cao Vì vậy, phát triển ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng trở thành hướng mũi nhọn kinh tế nước Trong cơng trình xây dựng, vật liệu xây dựng chiếm vị trí đặc biệt quan trọng yếu tố định đến chất lượng, giá thành thời gian thi cơng cơng trình Vật liệu xây dựng góp phần lớn vào việc xây dựng sở vật chất, xây dựng khu công nghiệp, đô thị, làm thay đổi diện mạo kiến trúc đô thị, phát triển kinh tế xã hội đất nước Các loại vật liệu xây dựng đáp ứng đầy đủ nhu cầu kinh tế thị trường giải hầu hết tốn xây dựng Chúng cịn có khả thực yêu cầu bảo vệ môi trường quan trọng, cho phép sử dụng phế thải q trình cơng nghệ ngành cơng nghiệp lượng với nguồn lợi lớn Tỉnh Thái Nguyên - Trung tâm trị, kinh tế khu Việt Bắc nói riêng, vùng trung du miền núi Đơng Bắc nói chung, cửa ngõ giao lưu kinh tế xã hội vùng Trung Du miền núi với vùng đồng Bắc Bộ Với vị trí thuận lợi giao thông, cách sân bay Quốc Tế Nội Bài 50 km, cách biên giới Trung Quốc 200 km, cách trung tâm Hà Nội 75 km cảng Hải Phòng 200 km Địa hình khơng phức tạp so với tỉnh Trung Du miền núi khác Đây thuận lợi Thái Nguyên cho canh tác nông lâm nghiệp phát triển kinh tế xã hội so với tỉnh lân cận Mục tiêu đến năm 2020 xây dựng tỉnh Thái Nguyên trở thành trung tâm kinh tế (cơng nghiệp, thương mại, du lịch), văn hố, giáo dục, y tế lớn Vùng trung du - miền núi Bắc Bộ với hệ thống sở hạ tầng tương đối đại đồng Với nhiều tiềm năng, Tỉnh Thái Nguyên phát triển với tốc độ lớn, trở thành ba thành phố lớn nước, nhiều khu đô thị phát triển, nhiều khu công nghiệp xây dựng Trước phát triển đặt tỉnh Thái Nguyên phải có sở hạ tầng đáp ứng phát triển ngành kinh tế Với nhu cầu đó, ngành Xây dựng địa bàn tỉnh có bước phát triển rõ rệt, nhiều doanh nghiệp đầu tư nhiều cơng nghệ mới, ví dụ công nghệ thi công bê tông bơm, công nghệ cọc khoan nhồi nhiều công nghệ thi công nhà cao tầng áp dung địa bàn Tỉnh Khoa Quản lý Công Nghiệp Môi trường Trang Nghiên cứu khoa học sinh viên 2010 Trong phát triển chung ngành công nghiệp xây dựng bản, ngành sản xuất loại Vật liệu Xây dựng giữ vị trí quan trọng, đặc biệt ngành công nghiệp sản xuất, cung cấp loại cát sỏi cho q trình thi cơng xây lắp Do địa bàn Tỉnh nằm khu vực nhiều đồi, núi, sông suối, lượng cát sỏi nhiều, lượng núi đá vơi Vì vậy, lượng cốt liệu dùng cho ngành xây dựng chủ yếu loại cát sỏi khai thác sông, suối, hồ địa bàn Tỉnh Trong đề tài này, xin đưa số kết so sánh tính hiệu ứng dụng vật liệu sỏi sơng Cầu với đá dăm cơng trình xây dựng dân dụng công nghiệp tỉnh Thái Nguyên Mục đích nghiên cứu đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài so sánh tính hiệu ứng dụng vật liệu sỏi sông Cầu với đá dăm cơng trình xây dựng dân dụng - công nghiệp tỉnh Thái Nguyên Nội dung nghiên cứu a) Đánh giá tiêu kỹ thuật vật liệu sỏi Sông Cầu: - Khối lượng riêng khối lượng thể tích - Thành phần hạt - Cường độ nén dập b) Thiết kế thành phần hạt sỏi cát c) Tính chất thẩm mỹ sỏi đá dăm Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng đề tài vật liệu sỏi Sông Cầu đá dăm Thái Nguyên - Phạm vi nghiên cứu đề tài so sánh số tính chất thành phần hạt, mô đun độ lớn, cường độ nén dập Đánh giá hiệu kỹ thuật khả ứng dụng chúng với đá dăm dùng để chế tạo kết cấu bê tơng xây dựng cơng trình dân dụng tỉnh Thái Nguyên Lựa chọn phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu theo tiêu chuẩn Việt Nam hành  Khảo sát tính chất lý cát sỏi sông Cầu theo TCVN 7572: 2006 Cốt liệu cho bê tông vữa – Phương pháp thử  Đánh giá yêu cầu kỹ thuật vật liệu theo TCVN 7570 : 2006 Cốt liệu cho bê tông vữa – Yêu cầu kỹ thuật Ý nghĩa khoa học đề tài - Bằng thực nghiệm kết hợp với lập luận khoa học, đề tài lý giải ưu - nhược điểm vật liệu sỏi Sông Cầu với đá dăm Khoa Quản lý Công Nghiệp Môi trường Trang Nghiên cứu khoa học sinh viên 2010 - Trên sơ sở số liệu thí nghiệm thu được, đề tài làm rõ tác động vật liệu đến cơng trình xây dựng Kết đạt - Xác định tính chất lý vật liệu sỏi đá dăm, sở khoa học để đánh giá khả sử dụng loại vật liệu xây dựng cơng trình - Nêu ưu điểm nhược điểm loại vật liệu này, nhằm xác định phạm vi sử dụng hiệu chúng xây dựng - Sử dụng dạng chuyên đề tài liệu tham khảo cho lớp sinh viên Kết cấu đề tài Đề tài trình bày 75 trang giấy A4 gồm phần mở đầu chương: Chương Tổng quan việc sử dụng vật liệu cát sỏi Chương Vật liệu phương pháp nghiên cứu Chương Nghiên cứu tính chất lý cát sỏi sông Cầu Chương Đánh giá hiệu kinh tế - kỹ thuật Kết luận kiến nghị Khoa Quản lý Công Nghiệp Môi trường Trang Nghiên cứu khoa học sinh viên 2010 Chương TỔNG QUAN VỀ VIỆC SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÁT VÀ SỎI 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Từ xa xưa loài người biết dùng loại vật liệu đơn giản có sẵn tự nhiên đất, rơm rạ, đá, gỗ…để xây dựng nhà cửa, cung điện, thành quách Mặc dù phương pháp xây dựng lạc hậu, dùng loại vật liệu tự nhiên, loài người xây dựng kỳ quan tồn ngày như: Kim tự tháp Ai Cập, Vạn lý trường thành Trung Quốc, đền thờ Ăngco Campuchia Ở nước ta có cơng trình xây dựng công phu Cột cờ Hà Nội, thành Cổ Loa, thành đá nhà Hồ (Thanh Hoá) Lịch sử ngành sản xuất vật liệu xây dựng đánh dấu vào năm 1824 Pooclăng chế tạo xi măng đến năm 1867 Monie thợ trồng hoa Pháp chế tạo chậu hoa bê tồng cốt thép Bê tông cốt thép loại vật liệu xây dựng đặc biệt người tạo làm thay đổi ngành xây dựng, từ chỗ dựa vào loại vật liệu sẵn có tự nhiên gỗ, đất, đá… người tạo loại vật liệu thay tốt vật liệu tự nhiên nhiều Và thực tế gần kỷ qua cơng trình vĩ đại, tồ tháp chọc trời xây dựng vật liệu bê tông cốt thép Ngày nay, với phát triển không ngừng khoa học công nghệ, loại vật liệu có tính chất đặc biệt xuất ngày nhiều Nhưng loại vật liệu bê tông cốt thép truyền thống ln giữ vị trí quan trọng khơng thể thay 1.1.1 Đặc điểm vật liêu bê tông Bê tông vật liệu đá nhân tạo khơng nung, có thành phần gồm cốt liệu, chất kết dính, dung mơi phụ gia, nhào trộn theo tỷ lệ định, rắn lại mà thành Trong xây dựng nay, vật liệu bê tông sử dụng phổ biến có ưu điểm sau  Hỗn hợp bê tơng có tính dẻo cao nên dễ dàng tạo hình dạng mà thiết kế yêu cầu  Đạt tiêu kỹ thuật thiết kế yêu cầu  Có cường độ biến đổi phạm rộng (từ 100 kG/cm ÷ 1200 kG/cm2), chế tạo nhiều loại bê tơng có tính chất cường độ khác  Có khả làm việc tốt với cốt thép kết cấu bê tơng cốt thép  Có giá thành thấp dùng loại vật liệu địa phương  Khá bền vững ổn định mưa, nắng, nhiệt độ, độ ẩm Tuy vậy, chúng tồn nhược điểm là: Khoa Quản lý Công Nghiệp Môi trường Trang Nghiên cứu khoa học sinh viên 2010  Có khối lượng thể tích lớn (v = 2,2 ÷ 2,4 tấn/m3), kết cấu nặng, kích thước lớn, cồng kềnh khó giới hố xây dựng  Bê tơng loại vật liệu giịn, có cường độ chịu nén lớn cường độ chịu kéo thấp (cường độ chịu kéo 1/15  1/20 cường độ chịu nén)  Khả cách âm, cách nhiệt (bt = 1,05 ÷ 1,5 kCal/m.độ.h)  Khả chống ăn mịn hóa học, ăn mịn mơi trường nước xâm thực yếu Các loại bê tơng nói chung sử dụng loại vật liệu địa phương gồm có: Chất kết dính, cốt liệu dung mơi Một thành phần quan trọng chiếm khối lượng lớn bê tơng loại cốt liệu 1.1.2 Đặc điểm cốt liệu Cốt liệu bê tông bao gồm hai loại là:  Cốt liệu nhỏ hỗn hợp hạt cốt liệu có kích thước chủ yếu từ 0,14 ÷ mm Cốt liệu nhỏ cát tự nhiên, cát nghiền hỗn hợp từ cát tự nhiên cát nghiền  Cốt liệu lớn hỗn hợp hạt cốt liệu có kích thước chủ yếu từ ÷ 70 mm Cốt liệu lớn đá dăm, sỏi, sỏi dăm hỗn hợp từ đá dăm sỏi hay sỏi dăm Tùy vào đặc điểm địa hình vùng, người ta sử dụng sỏi dùng đá dăm làm cốt liệu cho bê tơng Bên cạnh đó, số phận cơng trình cần có khả trang trí, người ta dùng sỏi để làm tăng thêm tính thẩm mỹ cơng trình Cát, sỏi thiên nhiên loại đá trầm tích học dạng hạt rời rạc thường lịng sơng, suối hay bãi biển Chúng khai thác thủ công hay giới Cát thiên nhiên có cỡ hạt từ 0,14  mm, sau khai thác tự nhiên tuỳ theo công dụng chúng sử dụng qua trình sàng lọc Cát sử dụng xây dựng chủ yếu dạng sau:  Dùng để làm vật liệu gia cố cơng trình: Gia cố đường, gia cố móng cơng trình, làm lớp đệm, lớp lót…  Dùng để chế tạo loại bê tông, chế tạo vữa xây dựng, …  Dùng làm phụ gia cho xi măng, bê tông, vữa… loại phụ gia trơ, phụ gia chống thấm…  Dùng làm nguyên liệu để chế tạo loại vật liệu nung như: Vật liệu gốm, kính, thủy tinh, vật liệu chịu lửa…  Hiện nay, kỹ thuật công nghệ phát triển, nhiều loại vật liệu có tính tốt, chất lượng cao sản xuất, ví dụ: Kính chịu lực, công nghệ chế tạo thủy tinh màu kính nghệ thuật, loại keo dính có tính kết dính cao Trong cơng nghệ đó, bột cát nghiền chế tạo từ cát thành phần thiếu Khoa Quản lý Công Nghiệp Môi trường Trang Nghiên cứu khoa học sinh viên 2010 Sỏi có cỡ hạt từ  70 mm, sau khai thác thiên nhiên phân loại theo cỡ hạt, dùng để chế tạo bê tông, dùng để trang trí 1.1.3 So sánh tính chất sỏi đá dăm So với đá dăm sản xuất từ đá vơi, vật liệu sỏi có đặc điểm sau:  Bề mặt tròn nhẵn, tiết diện bề mặt nhỏ so với đá dăm có kích thước, dó cần nước để thấm ướt bề mặt đá dăm  Có nhiều màu sắc hoa văn khác nhau, sỏi có khả trang trí cao đá dăm  Có giá trị cao hơn, số loại xuất nước  Quá trình khai thác đơn giản, giá thành thấp  Bê tơng dùng sỏi có tính dẻo cao so với bê tơng dùng đá dăm, q trình nhào trộn, đổ khn hồn thiện bề mặt kết cấu dễ dàng  Do bề mặt trịn nhẵn, lực dính kết đá xi măng bề mặt sỏi giảm, làm giảm cường độ kết cấu 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA SỎI TRÊN THẾ GIỚI Cát sỏi dùng làm cốt liệu cho bê tông từ sớm Ngay năm 60, nước giới, loại bê tơng chế tạo có thành phần từ cát sỏi [1] Tuy nhiên tỷ lệ thành phần cấp phối chưa hợp lý lên cường độ bê tơng khơng cao Đến năm 1971 ÷ 1977, Anh bắt đầu triển khai nghiên cứu ứng dụng sỏi cát để chế tạo bê tông đầm lăn phịng thí nghiệm trường đại học Newcastle Ở nước công nghiệp phát triển, Mỹ, Nhật, Canada Tây Âu không ngừng nghiên cứu hoàn thiện ứng dụng rộng rãi loại cát sỏi để chế tạo loại bê tông cường độ cao, giúp cho người thiết kế việc lựa chọn vật liệu cho kết cấu chịu lực, đặc biệt cơng trình xây dựng nhà cao tầng cầu nhịp lớn Ví dụ: Cầu Joigue Pháp xây dựng năm 1989 sử dụng bê tơng có cường độ 80 MPa kết cấu chịu lực Năm 1984 Canađa người ta xây dựng Ngôi nhà Laurentienne có cột làm từ bê tơng có cường độ 90 MPa Năm 1970, Nhật xây dựng cầu Nitta dùng loại bê tơng có cường độ 80 MPa có cốt liệu lớn loại sỏi Khoa Quản lý Công Nghiệp Môi trường Trang Nghiên cứu khoa học sinh viên 2010 Hình 1.1 Ứng dụng bê tông cường độ cao giới Những năm 1990, cốt liệu cát sỏi ứng dụng nhiều kết cấu bê tơng cơng trình biển sử dụng để xây dựng giếng dầu, tạo thuận lợi cho việc khai thác dầu thô ngồi khơi vùng Đơng Bắc Đại Tây Dương Hình 1.2 Cơng trình dàn khoan ngồi biển vùng Đơng Bắc Đại Tây Dương Qua số liệu khảo sát cho thấy, việc nghiên cứu ứng dụng loại cát sỏi giới làm cốt liệu cho bê tơng có vai trị quan trọng, nhằm tạo loại vật liệu có tính cao vật liệu tự nhiên sử dụng tốt loại vật liệu sẵn có nước khác giới 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SỎI Ở VIỆT NAM Các loại vật liệu cát sỏi khai thác sử dụng Việt Nam từ sớm Trước năm 1975, đất nước ta chưa dành độc lập Các ngành cơng nghiệp nói chung chưa có điều kiện phát triển, cơng nghiệp sản xuất xi măng chưa có mặt Việt Nam, loại vật liệu cát sỏi sử dụng để chế tạo vữa vôi, vữa đất sét có khả chịu lực thấp nên dùng để xây dựng cơng trình nhỏ Đến sau năm 1975, vào thời kỳ cửa ngành công nghiệp sản xuất xi măng phát triển mạnh mẽ, với nhiều công nghệ sản xuất tiên tiến như: Công nghệ sản xuất xi măng lò đứng, lò quay phương pháp ướt, lị quay phương pháp khơ Sản lượng xi măng sản xuất hàng năm lớn Vật liệu cát sỏi sủ dụng chủ yếu để chế tạo loại vữa xi măng, loại bê tơng có mác khác Khoa Quản lý Công Nghiệp Môi trường Trang Nghiên cứu khoa học sinh viên 2010 Ngày 10/08/2001 Thủ tướng Chính phủ có định số 115/2001/QĐ – TTg việc phê duyệt quy hoạch tổng thể phát triển ngành Vật liệu xây dựng Việt Nam đến năm 2010 [3, trang 3] Trong đó, sản lượng Xi măng sản xuất tới năm 2010 42,2 ÷ 51,4 triệu tấn, sản lượng cát xây dựng đạt 32,80 triệu m Với sản lượng xi măng cát thúc đẩy ngành xây dựng phát triển không ngừng với nhiều công nghệ vật liệu Với phát triển không ngừng công nghệ chế tạo, năm đầu kỷ 21 nhiều loại bê tông cường độ cao, bê tông chất lượng cao nghiên cứu thành công từ loại nguyên liệu nước Sự đời loại vật liệu chất lượng cao đánh dấu phát triển không ngừng khoa học công nghệ, bên cạnh vai trị loại vật liệu địa phương (cát vàng, sỏi đá dăm) ngày nâng cao, giá trị sử dụng đánh giá mức Tuy nhiên, vấn đề khảo sát đánh giá tính chất cát sỏi sông Cầu - Thái Nguyên dùng để chế tạo loại bê tông vữa dùng công trình xây dựng dân dụng – cơng nghiệp chưa nghiên cứu đầy đủ Trong năm tới đây, nhiều cơng trình đại xây dựng nước ta, cơng nghệ thi cơng địi hỏi loại vật liệu đa dạng, có sẵn địa phương, cát sỏi sơng Cầu – Thái Nguyên ứng dụng ngày rộng rãi cơng trình xây dựng Khoa Quản lý Cơng Nghiệp Môi trường Trang Nghiên cứu khoa học sinh viên 2010 Chương VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 2.1.1 Mở đầu Quá trình làm việc kết cấu cơng trình, vật liệu phải chịu tác động tải trọng bên ngồi, tải trọng cơng trình tác động mơi trường xung quanh Tải trọng gây biến dạng ứng suất vật liệu Do đó, để kết cấu cơng trình làm việc an tồn trước tiên vật liệu phải có tính chất học u cầu (cường độ, độ cứng, tính biến dạng…) Ngồi ra, vật liệu cịn phải có đủ độ bền vững chống lại tác dụng vật lý, hố học mơi trường (khơng khí, nước, nhiệt độ, độ ẩm…) Trong số công trình quan vật liệu cịn có yêu cầu riêng cách âm, cách nhiệt, chống bom nguyên tử Như vậy, chất lượng vật liệu ảnh hưởng lớn đến chất lượng cơng trình, tùy vào u cầu cơng trình cụ thể mà lựa chọn loại vật liệu phù hợp Bên cạnh đó, chi phí cho vật liệu xây dựng chiếm tỷ lệ tương đối lớn tổng giá thành xây dựng cơng trình: 75 – 80% cơng trình dân dụng cơng nghiệp, 70 – 75% cơng trình giao thơng 50 – 55% cơng trình thuỷ lợi Trong phát triển Khoa học – Công nghệ thay đổi môi trường sống kỷ XXI, vật liệu xây dựng vị trí quan trọng khơng thể thay phát triển khơng ngừng để đáp ứng địi hỏi ngày cao người Do cần phải có hiểu biết vật liệu xây dựng nói chung, tính phạm vi sử dụng nhóm vật liệu nói riêng, để từ lựa chọn chủng loại vật liệu cần thiết sử dụng cho mục đích cụ thể, đáp ứng u cầu kỹ thuật kinh tế cơng trình xây dựng Hình 2.1 Sỏi đá dăm Thái Nguyên Quá trình nghiên cứu, khảo sát đánh giá đề tài thực nguồn vật liệu địa phương cát sỏi khu vực Sông Cầu – Thái Nguyên Khoa Quản lý Công Nghiệp Môi trường Trang