Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu sử dụng vật liệu phế thải rắn của các công trình xây dựng làm cốt liệu trong kết cấu áo đường

định cho việc thi công, nghiệm thu cũng như các yêu cau kỹ thuật đối với vật liệu phếthải xây dựng tái chế làm lớp móng và mặt đường giao thông.Từ những vấn đề nêu trên tác giả chọn đề t

MO DAUMO DAU

1.1 Tinh cấp thiết của đề tài:

1.1.1 Tình hình phế thải xây dựng tại Việt Nam:

Phé thải từ phá dỡ công trình xây dựng là nguồn xả chất thải rắn đô thị không nhỏ Cho đến thời điểm này, phần lớn rác thải xây dựng được thu gom tại các điểm đồ tập trung trước khi chuyển về các bãi rác chôn lấp theo quy hoạch, mới có một phan nhỏ được dùng cho san lấp mặt bang; và trên thực tế không ít rác thải xây dựng được đồ bừa bãi tại các ao hồ, kênh muong, nơi cộng cộng, thậm chí ca ven bờ sông. Ước tính mỗi ngày có khoảng 1.000 tân rác thải xây dựng thành phố Hà Nội và 2.000 tan rác thải xây dựng tại thành phố Hồ Chí Minh được chôn lap Lượng rác thải xây dựng sẽ còn tăng mạnh trong thời gian tới, vì theo nghị quyết của Chính phủ đến năm 2015 sẽ cơ bản hoàn thành việc phá dỡ, cải tạo các khu trung cư cũ nát tại các đô thị lớn.

Như vậy, Hà Nội sẽ phải phá dỡ khoảng 23 khu chung cư 4-5 tang với gan 1 triệu mét vuông sàn và thành phố Hồ Chí Minh sẽ phải phá dỡ ít nhất 70 khu chung cư xuống cấp nghiêm trọng (trong tổng số 155 khu chung cư cân cải tạo) để xây dựng mới Nếu không tim cách tái chế, tái sử dụng, nguồn thải này sẽ trở thành gánh nặng đối với các đô thị Điều này không đơn giản vì đến nay Hà Nội và thành phố Hỗ Chí Minh vẫn chưa hề có một trung tâm tái chế chat thải xây dựng.

Hình 1,2 Tình trạng đồ trộm phế thai vat liệu xây dung tại đường Phạm văn đồng,

Quận Thu Đức, Thành phô Hồ Chí Minh.

Phé thải xây dựng (PTXD) ở các đô thị nước ta hiện nay chưa được tái chế mà phan lớn là đồ lẫn trong các bãi chứa rác thải sinh hoạt hoặc đồ bừa bãi ra ven đường, sông, kênh, chỉ có một lượng nhỏ được sử dụng dé san lấp, điều này gây 6 nhiễm môi trường, tốn diện tích bãi chôn lap đồng thời tiêu tốn rất nhiều chi phí cho việc vận chuyên, gây lãng phí nguôn vật liệu mà đáng lẽ ra có thê tái chê sử dụng thay thé cho nguồn vật liệu tự nhiên đang ngày càng khan hiếm.

Việc nghiên cứu tái sử dụng và tái chế PTXD đang là một van dé cấp bách được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm ở các nước phát triển và đang phát triển, nó vừa đem lại lợi ích to lớn cả về vấn đề kinh tế, xã hội, môi trường vừa đem lại lợi ích kỹ thuật. Ở Việt Nam đã có một số dé tài khảo sát khả năng tái chế PTXD làm vật liệu xây dựng thay thé vật liệu tự nhiên như cốt liệu tái chế [1], sử dụng phế thải phá dỡ làm bê tông xi măng và vữa xây dựng, gạch không nung [2] Vân đề nghiên cứu sử dụng hỗn hợp phế thải xây dung làm lớp móng đường giao thông còn ít, nhỏ lẻ Bên cạnh đó, trong hệ thống tiêu chuẩn Việt nam (TCVN) tiêu chuẩn ngành (TCN) cũng chưa có các quy định cho việc thi công, nghiệm thu cũng như các yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu phế thải xây dựng tái chế làm lớp móng và mặt đường giao thông.

1.1.2 Ứng dụng của việc sử dụng phế thải xây dựng tái chế:

Một số lợi ích của việc tái chế PTXD làm vật liệu xây dựng được thống kê bao gồm: a Lợi ích kỹ thuật:

Là nguon vật liệu mới có chất lượng đạt được các yêu cầu chỉ dẫn kỹ thuật theo các tiêu chuẩn ASSHTO, ASTM, TCVN.

Có khả năng lèn chặt, xây dựng tốt, hiệu quả sử dụng cao do cốt liệu tái chế có khối lượng thể tích nhẹ hơn cốt liệu thường nên giảm chỉ phí vận chuyền, hạ giá thành kết câu móng và tổng dự toán công trình, giảm khối lượng thể tích của bê tông tới 10-15% so với bê tông thông thường.

Có khả năng sử dụng trong nhiều mục đích xây dựng khác nhau đảm bảo các yêu câu thiết kê của công trình:

- Vat liệu lót, móng nên đường giao thông, ôn định nên móng công trình.

- LAm cốt liệu tái chế cho bê tông xi măng, bê tông asphant, cau kiện bê tông cốt thép, bó vỉa, công dẫn thoát nước.

- San xuất gach block, lát đường, gạch xây, làm vật liệu trang trí cảnh quan. b Lợi ích kinh tế:

Tránh được chi phí và lệ phí xử lý bãi rác.

Giảm thiểu tác động đến cơ sở hạ tầng cộng đồng bang cách giảm nhập khẩu và vận tải xuất khẩu.

Tăng hiệu qua dự án và cải thiện công việc chi phí cốt bê tông tái chế sản lượng tính theo trọng lượng (đến 15%).

Loại bỏ các chi phí nhập khẩu nguyên liệu tông hợp và xuất khẩu. c Lợi ích môi trường:

Tái sử dụng làm cốt liệu cho bê tông sẽ làm giảm việc khai thác đá, sỏi tự nhiên, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên.

Không phải chôn lap trong các bãi rác nên tiết kiệm không gian bãi rác, giảm thiểu tác động môi trường

Sử dụng vật liệu bê tông tái chế làm đường sẽ giảm ô nhiễm môi trường do quá trình vận tải rác thải.

Khảo sát khả năng sử dụng hỗn hợp phế thải xây dựng trong kết cấu nên đường giao thông.

Thiết kế thành phan cấp phối tối ưu.

Thực nghiệm ảnh hưởng của thành phân cốt liệu đến tính chất của kết câu đường.

Trong quá trình nghiên cứu, dé tài sẽ sử dụng các tiêu chuẩn hiện hành của nhà nước Việt Nam (TCVN) và tiêu chuẩn ngành của Bộ giao thông (TCN) để xác định các tính chất cơ lý của vật liệu sử dụng cũng như các tính chất của lớp móng đường thông thường và móng đường gia cố xi măng.

Dé đánh giá chất lượng của lớp móng đường không và có gia cô xi măng, dé tài sử dụng phương pháp so sánh kết quả thí nghiệm với mẫu đối chứng sử dụng vật liệu tự nhiên và các yêu cầu kỹ thuật hiện hành khi sử dụng vật liệu thông thường.

Phương pháp xác định các tính chất của vật liệu sử dụng:

- Lay mẫu và chuẩn bi mẫu thử xi mang theoTCVN 4787: 2009, [3].

- Xác định độ min cua xi mang theo TCVN 4030:2003, [4].

- Xác định lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết và độ 6n định thé tích của xi măng theo TCVN 6017: 1995, [5].

- Xác định độ bên của xi mang theo TCVN 6016: 1995, [6].

: Xác định các tính chất của cốt liệu theo TCVN 7572: 2006, [7].

Phương pháp xác định các tính chất cua lop móng đường và móng đường gia cô xi măng:

- Dam nén dat, đá dim trong phòng thí nghiệm theo 22TCN 333: 2006,

- Quy trình thí nghiệm xác định cường độ ép che cua các vat liệu hat liên kết bằng chất kết dính 22TCN 73: 1984, [9].

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài: Đề tài đã khảo sát nghiên cứu phế thải dang hỗn hop từ tường xây gạch và dạng phế thải bê tông từ các công trình xây dựng. Ứng dụng cho bê tông nên của kết cau áo đường.

Dé đạt mục tiêu nghiên cứu, dé tài đã tập trung nghiên cứu những van dé sau:

- T6ng quan tình hình nghiên cứu, tái sử dung các loại phế thải xây dựng trong xây dựng đường giao thông trên thế giới và ở Việt Nam.

Khảo sát các tính chất cơ bản của hỗn hợp phế thải xây dựng tái chế và các kích thước khác nhau dùng làm cốt liệu.

Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần cấp phối hạt trong lớp móng đường gia cố sử dụng hỗn hợp phế thải xây dựng tái chế đến các tính chất cơ lý của vật liệu.

Thực nghiệm và đánh giá khả năng sử dụng của vật liệu phé thải.

Tính toán kết câu áo đường sử dụng vật liệu phế thải tái chế.

TONG QUAN VE PHE THÁI XÂY DỰNG TAI CHE

2.1 Tong quan về mặt đường:

Mặt đường là phân duy nhất của con đường là nhìn thấy được Bê mặt đường này năm phủ lên trên cấu trúc nền đường được cấu tạo bởi các lớp vật liệu khác nhau, các lớp này có tổng chiêu dày tính toán đạt yêu cau chịu tải của con đường.

Cau trúc nền đường là một phan của con đường, là phan chính chịu tải trọng Tải trọng từ xe tác dụng lên bề mặt đường sẽ truyền qua cấu trúc nền đường tới lớp dat nên bên dưới, lớp này là lớp đất tự nhiên thường có độ chịu lực yếu Bang cách này tải trọng có cường độ cao từ mặt đường được tạo ra từ giao thông trên đường sẽ được phân tán ra một diện tích rộng của lớp dưới cùng, như minh họa ở trên Hình 2.1.

Fig1.4 Load Transfer through the pavement structure Wheel load

Contact area ô— Surfacing ô3CaO.AIzOs.FezOs.6H2O+CaO.Fe;Os.nH›O (4)

Khi xi măng ran chắc, các quá trình vật lý và hóa lí 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 hỗ dẻo và sau đó biến thành đá có cường độ Tat 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 thé tác dụng tương hỗ với nhau và với các khoáng khác của clanke dé hình thành các liên kết mới Do đó hồ xi măng là một hệ phức tạp cả về cau trúc thành phan cũng như sự biến đổi Dé giải thích quá trình ran 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 clanke sẽ tác dụng với nước ngay trên bể mặt hạt xi măng Những sản phẩm tạo được [Ca(OH);; 3CaO.Al1,03.6H,O] sẽ tan ra Nhưng vi độ tan của nó không lớn và lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên quá bão hòa.

Giai đoạn húa keo: Trong dung dịch quỏ bóo hũa,cỏc sản phẩm Ca(OH)ằ;;

3CaO.AI,03.6H2O) mới tạo thành sẽ không tan nữa mà ton tại ở trạng thái keo Còn các sản phẩm etringit, C-S-H vốn không tan nên tôn tại ở thể keo phân tán Nước vẫn tiếp tục mat 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 mat dan tính dẻo, các sản phẩm ở thé keo liên kết với nhau thành thể ngưng keo.

Giai đoạn kết tinh: Nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mat đi, các sản phẩm mới ngày càng nhiều Chúng kết tinh lại thành tinh thé rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho các hệ thống hoá cứng và cường độ tăng [10]

Tóm lại quá trình ran chac của xi măng có thê biêu diễn như sau:

Ca(OH), và 3CaO.Al,O 6H;O 2CaO.SiO;.nH;O

Hòa tan vào nước Không hoa tan vào nước

Ngưng keo Khuếch tan 6 dạng keo phân tan

Lư 4 á CT SE Oe SE RE SS a OS A OO OE SE SE A

> EA, EX, ROE TH, f # ằ* SS “ KS f  4, ằ + SS #m.w, ằ SS dt độ ly VY UY VY PAP AA : f  SN “+ # %:â % vỡ

MENON vớ vớ vở RN ON ARS ơơ Unhydrated Cement Gel — v VON ` oN Cement

OOF FS IS ss we NSN ỷ/U ự / ựJ/ ự

3% Te G2, We es Fe PS) ` ` 7 ` ` ` >` ` `* ` ` ` `

Hình 3.1 Hô Xi măng rắn chắc

Sau khi đầm nén, các cấu tử của hỗn hợp bê tông được sap xếp lại chặt chế hơn, cùng với sự thuỷ hoá của xi măng cấu trúc của bê tông được hình thành Giai đoạn này gọi là hình thành cau trúc Các sản phẩm mới được hình thành do xi măng thuỷ hoá dan dân tăng lên, đến một lúc nào đó, chúng tách ra khỏi dung dịch quá bão hoà Số lượng sản phẩm mới tách ra tăng lên đến 1 mức nào đó thì cấu trúc keo tụ chuyển hoá cấu trúc tinh thé, làm cho cường độ của bê tông tăng lên Sự hình thành cấu trúc tinh thể sẽ sinh ra 2 hiện tượng ngược nhau: tăng cường độ và hình thành nội ứng suất trong mạng lưới tinh thé Đó là nguyên nhân sinh ra vết nứt va giảm cường độ của bê tông.

Khoảng thời gian hình thành cấu trúc, cũng như cường độ dẻo (cường độ đầu tiên) của bê tông phụ thuộc vào thành phần của bê tông, dạng chất kết dính và phụ gia hoá học Hỗn hợp bê tông cứng và kém dẻo với tỷ lệ nước — xi măng không lớn có giai đoạn hình thành cấu trúc ngắn.Việc dùng xi măng và phụ gia rắn nhanh sẽ rút ngăn giai đoạn hình thành câu trúc.

Bên cạnh đó, tác động của quá trình đầm chặt sẽ hạn chế được sự thay đôi thé tích, sự co ngót của betông, ảnh hưởng đến độ bên của bê tông trong điều kiện nhiệt độ nóng âm.

3.2 Ảnh hưởng của áp lực đầm nén đến cường độ của phế thải gia cố xi mang:

Dam nén là một khâu quan trong trong công nghệ thi công mặt và móng đường Chất lượng công tác đầm nén có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng sử dụng của các tâng lớp áo đường Bất cứ một lớp vật liệu gì, được xây dựng theo nguyên lý nào thì chỉ sau khi đầm nén trong nội bộ vật liệu mới hình thành được câu trúc mới đảm bảo cường độ, độ ôn định cần thiết Sau khi đầm nén lớp mặt đường mới có được một câu trúc mới tôt hơn hăn câu trúc ban đâu.

Cũng như các loại vật liệu làm đường khác, Phé thải tái chế là hỗn hợp gồm3 pha, pha răn, pha lỏng và pha khí Dưới tác dụng của tải trọng đầm nén, trong lớp vật liệu sẽ phát sinh sóng ứng suất — biến dạng Dưới tác dụng của áp lực lan truyền đó, trước hết các hạt cốt liệu và màng mỏng bao bọc nó sé bị nén đàn hồi Khi ứng suất tăng lên và tải trọng đầm nén tác dung trùng phục nhiều lần, cau trúc của các mang mỏng sẽ dan dan bị phá hoại, cường độ của các màng mỏng sẽ giảm đi Nhờ vậy các các hạt cốt liệu có thé di chuyển tới sát gần nhau, sắp xếp lại dé đi đến các vị trí ôn định, đồng thời không khí bị đây thoát ra ngoài, lỗ rỗng giảm đi, mức độ bảo hòa các liên kết và mật độ hạt cốt liệu trong một đơn vi thể tích tăng lên và giữa các hạt côt liệu sẽ phát sinh các tiêp xúc và liên kêt mới Kêt quả là làm cho côt liệu chat lại, cường độ cua cot liệu tăng lên, biên dạng cua côt liệu phê thải tái chê giảm.

Dé đâm nén có hiệu qua thì tải trọng đâm nén phải lớn hơn tông sức can đâm nén của PTTC Sức cản đâm nén của PTTC bao gôm:

Sức cản câu trúc: sức cản này là do liên kết cau trúc giữa các pha và thành phân có trong hỗn hợp vật liệu gây ra Liên kết cau trúc giữa các thành phan càng được tăng cường và biến cứng thì sức cản câu trúc càng lớn và nó tỷ lệ thuận với trị số biến dạng của vật liệu Cụ thể là trong quá trình đầm nén độ chặt của vật liệu càng tăng thì sức cản câu trúc càng lớn.

Sức cản nhớt: sức cản này là do tính nhớt của các màng pha lỏng bao bọc quanh các hạt vật liệu hoặc do sự bám móc nhau giữa các hạt cốt liệu khi trượt gây ra Sức can nhớt ti lệ thuận với tốc dộ biến dạng tương đối của vật liệu khi đầm nén và sẽ càng tăng khi cường độ đâm nén tăng và độ nhớt của các màng mỏng tăng.

Sức can quán tính: sức cản này ti lệ thuận với khôi lượng của vật liệu và gia tôc khi đâm nén.

Ban dau vat liệu còn ở trạng thái rời rac, chỉ cân đâm nén với tải trọng nhỏ (lu nhỏ) sao cho áp lực dam nén thăng được tông sức can ban đâu cua vật liệu nhăm tạo ra bién dạng không hỏi phục trong lớp vật liệu.

Trong quá trình lu lèn, sức cản đầm nén sẽ tăng dân do vậy, tải trọng lu cũng phải được tăng lên tương ứng đê thăng được sức cản đâm nén mới của vật liệu tái chế Tuy nhiên không được dung lu nặng ngay từ dau để tránh hiện tượng trượt trôi, lượn sóng bề mặt do áp lực lu quá lớn so với cường độ giới hạn của vật liệu phé thải tái chê Do đó, trong quá trình đâm nén can dùng nhiêu loại lu khác nhau trên nguyên tac tăng dân áp lực lu.

Bê tông xi măng có thành phan nguyên vật liệu gồm: cốt liệu thô là đá dam, cốt liệu nhỏ là cát, xi măng, muội silic, nước và phụ gia giảm nước.

THỰC NGHIEM VÀ ĐÁNH GIA KET QUÁTHỰC NGHIEM VÀ ĐÁNH GIA KET QUÁ

4.1 Anh hưởng của ty lệ phối trộn đến khối lượng thể tích:

Từ các loại phế thải được gia công đập đến kích thước