LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU CÁT XAY TỪ ĐÁ THIÊN NHIÊN TẠI MỎ ĐÁ TÀ ZÔN TỈNH BÌNH THUẬN ĐỂ SẢN XUẤT BÊ TÔNG NHỰA TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ

Điều này đã gây không ít khó khăn cho nhu cầu sản xuất BTN bê tông nhựa phục vụ xây dựng đường ô tô, vì nguồn vật liệu cát tự nhiên đạt chất lượng không đủ trữ lượng để cung cấp dồi dào

07/2011

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS LÊ VĂN BÁCHLUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

1 Sự cần thiết của đề tài:

Bình Thuận là tỉnh có tốc độ phát triển kinh tế tương đối cao của khu vực Nhu cầu xây dựng cơ sở hạ tầng

kỹ thuật, hạ tầng giao thông là rất lớn

Trước kia nguồn vật liệu cát ở đây rất dồi dào, khai thác từ các nhánh sông trong tỉnh Tuy nhiên, việc khai thác cát không tuân thủ các yêu cầu về bảo vệ môi trường, khai thác tùy tiện, không khoa học dẫn đến nguồn tài nguyên này bị khai thác kiệt quệ, bờ sông bị xói lở nghiêm trọng, một số sông lớn đã bị cấm hoặc hạn chế khai thác cát Điều này đã gây không ít khó khăn cho nhu cầu sản xuất BTN (bê tông nhựa) phục

vụ xây dựng đường ô tô, vì nguồn vật liệu cát tự nhiên đạt chất lượng không đủ trữ lượng để cung cấp dồi dào

và liên tục nữa

2

Chính vì vậy, việc tìm kiếm nguồn vật liệu khác thay thế nguồn vật liệu cát tự nhiên hiện nay đang được các công

ty sản xuất BTN trong tỉnh đặc biệt quan tâm Với mục đích đưa nguồn vật liệu cát xay vào thay thế vật liệu cát tự nhiên trước kia để sản xuất BTN được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn và mang lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao

Đề tài được hình thành để bước đầu tìm hiểu nghiên cứu lĩnh vực này nhằm đóng góp một phần vào việc phát triển kinh tế chung của khu vực và cả nước

3

2 Nội dung nghiên cứu:

 Phân tích sự khan hiếm nguồn vật liệu cát tự nhiên hiện nay và

dự báo nhu cầu sử dụng nguồn vật liệu này trong tương lai.

 Tính chất và thành phần của vật liệu cát xay từ đá thiên nhiên khai thác tại mỏ đá Tà Zôn, Bình Thuận.

 Trình bày thiết kế cấp phối hỗn hợp BTN được sản xuất từ đá, nhựa đường, bột khoáng và cát tự nhiên.

 Nghiên cứu chế tạo thành phần cấp phối hỗn hợp BTN được sản xuất từ đá, nhựa đường, bột khoáng và cát xay từ đá thiên nhiên.

 Lập bài toán so sánh tính hiệu quả kinh tế, kỹ thuật, chất lượng đạt được của hỗn hợp BTN sử dụng cát tự nhiên và hỗn hợp BTN sử dụng cát xay từ đá thiên nhiên Từ đó đưa ra giải pháp

đề xuất xu hướng sử dụng vật liệu cát xay để sản xuất BTN trong thời gian tới.

4

3 Kết cấu của luận văn:

Nội dung luận văn được trình bày gồm các 6 chương:

để sản xuất bê tông nhựa trong xây dựng đường ô tô

từ đá thiên nhiên

thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa nóng

tự nhiên, cát xay – Đánh giá tính hiệu quả về kinh tế, kỹ thuật của bê tông nhựa

5

VẤN ĐỀ 1:

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG CÁT HIỆN NAY ĐỂ SẢN XUẤT BÊ TÔNG NHỰA TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG ÔTÔ

Bình Thuận là tỉnh duyên hải cực Nam Trung Bộ, với đường bờ biển dài 192 km Hiện nay, trên địa bàn tỉnh có các con sông lớn chảy qua như: sông La Ngà, sông Lũy, sông Lòng Sông, sông Dinh …Các con sông này là nguồn cung cấp vật liệu cát xây dựng chủ yếu cho hoạt động xây dựng trên địa bàn toàn tỉnh và các tỉnh lân cận

6

1.1 Giới thiệu về nguồn vật liệu cát tự nhiên được khai thác tại tỉnh Bình Thuận

1.2 Tình hình sử dụng cát để sản xuất bê tông nhựa trong tỉnh hiện nay

Bê tông nhựa là hỗn hợp được chế tạo gồm cát, đá, bột khoáng

và nhựa đường, được phối hợp với nhau theo một tỷ lệ nhất định Cát là thành phần cốt liệu chèn trong hỗn hợp BTN Cát sử dụng có thể là cát thiên nhiên hoặc cát xay, không được lẫn tạp chất hữu cơ Các chỉ tiêu cơ lý của cát dùng cho các loại BTN phải thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật sau:

7

Hiện nay, nguồn vật liệu cát vàng đạt chất lượng để sản xuất BTN ngày càng khan hiếm Chính từ yếu tố khan hiếm này đã đẩy giá thành của cát xây dựng tăng lên đột biến Mặc dù giá thành cát xây dựng quá cao nhưng vẫn không đủ số lượng để cung cấp cho thị trường.

Kết quả thí nghiệm vật liệu cát tự nhiên được lấy tại mỏ cát sông Dinh (huyện Hàm Tân), qua đó thấy rằng mô đun

độ lớn của cát Mk = 1,65 (nhỏ hơn nhiều so với mô đun độ lớn yêu cầu dùng để sản xuất bê tông nhựa nóng)

8

10

Để dây chuyền sản xuất bê tông nhựa không bị gián đoạn, giải pháp hiện nay là tận dụng nguồn nguyên liệu đá dồi dào tại các mỏ đá khai thác tại địa phương, điển hình

là mỏ đá Tà Zôn để sản xuất ra được loại cát mới đạt chất lượng, thay thế cho cát tự nhiên trong sản xuất bê tông nhựa Đó là loại cát được xay từ các mỏ đá tại khu vực núi

Tà Zôn, đạt chất lượng để sản xuất BTN

12

Hình 2.1 Hoạt động khai thác đá tại mỏ đá Tà Zôn

Hình 2.2 Toàn cảnh khai thác đá tại mỏ đá Tà Zôn

2.2 Trữ lượng và chất lượng đá

Trữ lượng đá khai thác tại các mỏ đá trên địa bàn tỉnh Bình Thuận, đặc biệt là mỏ đá Tà Zôn rất dồi dào, đủ cung cấp cho sự phát triển kinh tế của tỉnh Bình Thuận trong tương lai đến năm 2030

Sau đây là kết quả thí nghiệm cường độ của đá gốc lấy tại

mỏ đá Tà Zôn Qua thí nghiệm, thấy rằng cường độ kháng nén của đá gốc đối với mẫu khô và mẫu bảo hòa luôn đạt

≥ 1000 kG/cm2 Với nguồn vật liệu đá này, hoàn toàn đảm bảo các yêu cầu về chất lượng, kỹ thuật để sử dụng sản xuất nghiền đá thành cát xay nhân tạo

15

2.3 Quy trình công nghệ sản xuất vật liệu cát xay từ đá thiên nhiên

2.3.1 Thiết bị nghiền

18

Hiện nay, sử dụng phổ biến là máy nghiền đá sử dụng công nghệ gối

đệm không khí Titan D do Liên bang

Nga sản xuất mà tác giả của công trình

này là Tiến sĩ khoa học Vasili Visitca,

công nghệ này bộc lộ nhiều ưu điểm,

nó đem lại hiệu quả kinh tế và chất

lượng cao hơn các loại máy nghiền

khác ra đời trước đó trong lịch sử

Kết cấu máy nghiền Titan như sau:

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của máy nghiền Titan D

Hỡnh 2.5 Nguyờn lý hoạt động của mỏy nghiền Titan D

2.3.3 Một số ưu điểm của máy nghiền rôto trục đứng sử dụng công nghệ gối đệm không khí Titan D

Tỷ lệ lượng cát thu được đến 48%, trong khi thiết bị dùng ổ bi chỉ đạt được 25% Công nghệ gối đệm không khí cho chất lượng thành phần hạt sản phẩm tốt hơn,

mô đun độ lớn đảm bảo, đáp ứng được yêu cầu khắt khe trong sản xuất các loại bê tông, đặc biệt là bê tông nhựa

Công suất làm việc của máy lớn, thiết kế có thể đạt đến

650 tấn/h Độ an toàn và tuổi thọ của máy cao, vật tư thay thế rẻ, đã chuyển giao công nghệ sản xuất, thân thiện với môi trường xung quanh, ít gây tiếng ồn và ít thải bụi bẩn ra môi trường

20

2.4 Giá thành của sản phẩm cát xay từ đá thiên nhiên và nhu cầu sử dụng trong tương lai

21

 Hiện nay, trên thị trường sử dụng 2 loại sản phẩm cát xay đó là cát xay 0x3 và cát xay 0x6 Nhưng sản phẩm cát xay 0x6 được sản xuất cung cấp ra thị trường nhiều hơn Giá thành hiện nay của sản phẩm cát nghiền là 121.000 đồng/ tấn Độ đồng đều của thành phần hạt cát xay và mô đun độ lớn thì tốt hơn cát tự nhiên.

 Nhu cầu sử dụng nguồn vật liệu cát nhân tạo trong tương lai được dự đoán là sẽ phát triển mạnh Với việc hiện nay nguồn cát tự nhiên đang khan hiếm dần, việc khai thác bừa bãi đã làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và an toàn dân cư Trước thực trạng như vậy, sản phẩm cát nhân tạo sẽ có được chỗ đứng thích hợp trong thị trường cung cấp vật liệu xây dựng, và sẽ trở thành một vật liệu chính có thể thay thế xứng đáng nguồn cát tự nhiên đang ngày càng trở nên khan hiếm và giá thành rất cao hiện nay

VẤN ĐỀ 3:

THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ

LÝ CỦA CÁT TỰ NHIÊN, CÁT XAY

22

3.1 Kết quả thí nghiệm cát xay và cát tự nhiên

23

3.2 Nhận xét:

Căn cứ vào kết quả thí nghiệm vật liệu cát tự nhiên và cát xay, có bảng tổng hợp so sánh các chỉ tiêu cơ lý của hai loại cát như sau:

27

Qua so sánh các chỉ tiêu cơ lý của cát tự nhiên và cát xay

ở trên, bước đầu có thể đánh giá rằng sử dụng cát xay trong sản xuất bê tông nhựa sẽ đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, chất lượng hơn khi sử dụng cát tự nhiên.

4.2 Thí nghiệm thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa nóng sử dụng vật liệu cát xay từ đá thiên nhiên

30

Trên cơ sở kết quả thiết kế tối ưu của hai thành phần cấp phối bê tông nhựa nóng BTN C20 sử dụng cát xay từ đá thiên nhiên và cát tự nhiên, có được bảng tổng hợp sau:

32

4.3 Dự toán giá thành của 1 tấn bê tông nhựa nóng C20

sử dụng vật liệu cát tự nhiênSHĐM: AD.26222

Đơn vị tính: 1 tấn/ Đồng.

33

4.4 Dự toán giá thành của 1 tấn bê tông nhựa nóng C20 sử dụng vật liệu cát xay

SHĐM: AD.26222

Đơn vị tính: 1 tấn/ Đồng.

35

4.5 Đánh giá, so sánh về mặt kỹ thuật của hai loại bê tông nhựa sử dụng vật liệu cát xay, cát tự nhiên

Từ các kết quả thí nghiệm, tổng hợp bảng sau để tính toán kết cấu áo đường mềm.

37

Theo điều kiện kiểm toán trong quy trình có thể áp dụng:

+ Tính toán cường độ theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi ở nhiệt độ 30 0 C với mô đun đàn hồi vật liệu của BTN sử dụng cát xay: Eđh = 4345 daN/cm 2 , lớn hơn mô đun đàn hồi vật liệu của BTN sử dụng cát tự nhiên Eđh= 3986 daN/cm 2

+ Tính toán theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn ở nhiệt độ 15 0 C với

mô đun đàn hồi vật liệu của BTN sử dụng cát xay: Eđh=

10400 daN/cm 2 và độ bền chịu kéo uốn cho phép là Rku= 16,2 daN/cm 2 , lớn hơn mô đun đàn hồi vật liệu của BTN sử dụng cát tự nhiên: Eđh= 8850 daN/cm 2 và Rku= 15,4 daN/cm 2

+ Tính toán theo tiêu chuẩn chống trượt ở nhiệt độ 60 0 C với

mô đun đàn hồi vật liệu của BTN sử dụng cát xay: Eđh= 2850 daN/cm 2 , lớn hơn mô đun đàn hồi vật liệu của BTN sử dụng cát tự nhiên: Eđh= 2615 daN/cm 2 khoảng 9%.

38

4.6 Nhận xét

4.6.1 Về mặt kỹ thuật

Các loại vật liệu cát tự nhiên, cát xay, đá, bột khoáng, nhựa đường sử dụng để sản xuất BTN đều đảm bảo được các yêu cầu khắc khe của vật liệu dùng để sản xuất BTN

Đường cong cấp phối của BTN sử dụng cát tự nhiên và BTN sử dụng cát xay đều nằm trong đường bao qui định của bê tông nhựa, nhìn vào hai đường cong cấp phối, thấy rằng đường cong cấp phối hạt của BTN sử dụng cát xay

có xu hướng nằm phía trên, điều đó cho thấy BTN sử dụng cát xay có thành phần hạt lớn nhiều hơn BTN sử dụng cát tự nhiên, điều này cũng hợp lý với BTN C20, yêu cầu cần nhiều hạt cốt liệu lớn

39

 Các chỉ tiêu cơ lý của BTN sử dụng cát xay, sau khi thí nghiệm trên các mẫu chế bị đều đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của Quy trình 22TCN 249-98.

 Độ ổn định Marshall của BTN sử dụng cát xay đáp ứng được yêu cầu của quy trình: 15,24 kN ( quy trình yêu cầu ≥ 8 kN) và lớn hơn độ ổn định Marshall của BTN sử dụng cát tự nhiên: 13,15 kN.

 Trị số mô đun đàn hồi vật liệu và cường độ chịu kéo uốn của BTN sử dụng cát xay đều lớn hơn BTN sử dụng cát tự nhiên

và thỏa mãn các yêu cầu qui định của quy trình 22TCN

211-06 Tuy nhiên, mô đun đàn hồi vật liệu và cường độ chịu kéo uốn của BTN sử dụng cát xay có xu hướng giảm khi nhiệt độ tăng cao, nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép của quy trình kỹ thuật.

40

4.6.2 Về mặt hiệu quả kinh tế

Qua bảng tính dự toán giá thành sản xuất, thấy rằng giá thành của BTNN C20 sử dụng cát xay thấp hơn giá thành của BTNN C20 sử dụng cát tự nhiên là: Giá thành 1 tấn (BTN cát tự nhiên) - Giá thành 1 tấn (BTN cát xay) = 1.246.428,00 - 1.240.783,00 = 5.645,00 đồng/ 1 tấn.

Xét về mặt kinh tế, thì thành phần cấp phối BTN sử dụng cát xay được sản xuất ra cho giá thành thấp hơn giá thành BTN sử dụng cát

tự nhiên Điều này sẽ giải quyết được bài toán tận dụng được nguồn vật liệu đá dồi dào tại địa phương để làm giảm giá thành sản phẩm trong sản xuất BTN phục vụ thi công, xây dựng đường ô tô hiện nay tại khu vực tỉnh Bình Thuận nói riêng và cả nước nói chung.

41

 Căn cứ vào các tiêu chuẩn qui định đối với BTN thể hiện trong quy trình 22TCN 249-98 “Quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa – Yêu cầu kỹ thuật” thì BTN sử dụng vật liệu cát xay được khai thác tại mỏ đá Tà Zôn hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật.

42

 BTN sử dụng cát xay từ đá thiên nhiên có cường độ Marshall cao hơn khoảng 12 – 15%, đồng thời tiết kiệm được hàm lượng nhựa theo cốt liệu so với BTN sử dụng cát tự nhiên.

 Các chỉ tiêu cơ lý của BTN sử dụng cát xay, khi ở nhiệt độ bình thường thì các tính chất của BTN sử dụng cát xay cho kết quả tốt hơn so với BTN sử dụng cát tự nhiên Tuy nhiên, khi nhiệt

độ tăng lên thì các tính chất của BTN sử dụng cát xay có xu hướng giảm dần, nhưng mức độ giảm dần không lớn, với điều kiện nhiệt độ làm việc của vật liệu BTN thì các chỉ tiêu về cường độ, mô đun đàn hồi vật liệu và độ bền kéo uốn của BTN

sử dụng cát xay vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật.

43

 Xét chỉ tiêu kinh tế, giá thành để sản xuất BTN sử dụng cát xay thấp hơn giá thành sản xuất BTN sử dụng cát tự nhiên Điều này, sẽ giải quyết được bài toán giảm giá trị xây lắp công trình trong xây dựng đường ô tô, đồng thời việc sử dụng vật liệu cát xay để sản xuất BTN

sẽ tận dụng được nguồn vật liệu đá dồi dào tại địa phương.

* Tổng hợp các chỉ tiêu về kỹ thuật, chỉ tiêu về kinh tế cũng như điều kiện tại địa phương, bước đầu kết luận rằng: Có thể sử dụng hỗn hợp

bê tông nhựa nóng được sản xuất khi sử dụng vật liệu cát xay từ đá thiên nhiên tại mỏ đá Tà Zôn, tỉnh Bình Thuận trong xây dựng đường

ô tô, đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng cao về khả năng sử dụng nguồn vật liệu bê tông nhựa để xây dựng đường ô tô, xây dựng cơ sở

hạ tầng kỹ thuật tại địa phương.

44

5.2 Kiến nghị

 Vật liệu cát tự nhiên hiện nay hầu như không đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của vật liệu cát sử dụng sản xuất BTN theo Quy trình 22TCN 249-98 Mô đun độ lớn của cát tự nhiên hiện nay rất nhỏ, dao động vào khoảng Mk = 1,2 ÷ 1,85 < 2 Không thỏa mãn các yêu cầu của vật liệu cát dùng trong BTN Vì thế, đòi hỏi phải

có phương án bổ sung, thay thế vật liệu cát tự nhiên trong thành phần của BTN bằng vật liệu cát xay từ đá thiên nhiên.

 Nội dung của luận văn đã cho thấy bước đầu thành công trong việc

sử dụng vật liệu cát xay từ đá thiên nhiên để thay thế cát tự nhiên, đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật cũng như đem lại giá thành hợp lý, thấp hơn giá thành sản xuất BTN sử dụng cát tự nhiên hiện nay.

45

TÁC GIẢ CHÂN THÀNH CẢM ƠN

HỘI ĐỒNG ĐÃ THEO DÕI

CHÚC HỘI ĐỒNG DỒI DÀO SỨC KHỎE VÀ HẠNH PHÚC!