Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)

Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI _ Công trình hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Phạm Duy Hữu TRẦN TRUNG HIẾU PGS.TS Lã Văn Chăm NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ Ở VIỆT NAM Phản biện 1: Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô đường thành phố Phản biện 2: Mã ngành: 62.58.02.05 Phản biện 3: TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ kỹ thuật cấp Trường Đại học Giao thông vận tải Vào hồi: HÀ NỘI - 2017 ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: • Thư viện Quốc gia • Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Trên giới nhiều nước, mặt đường BTXM xây dựng chiếm tỷ lệ lớn có cường độ độ bền cao Ở Việt Nam, BTXM ngày sử dụng nhiều để làm mặt đường ô tô với tổng chiều dài lên tới hàng nghìn kilomet Để có xi măng ngành công nghiệp sản xuất thải môi trường khí CO2 [47], nguyên nhân dẫn đến hiệu ứng nhà kính biến đổi khí hậu Trong đó, hàng năm nước ta có hàng chục nhà máy nhiệt điện thải hàng triệu tro bay tiếp tục tăng, không tái sử dụng có hiệu lãng phí nguồn tài nguyên ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường Theo tài liệu [10],[57],[63], sử dụng tro bay để thay phần xi măng BTXM truyền thống làm tăng độ bền bê tông lên từ 1,15 đến lần; tro bay dùng tới 70 % khối lượng chất kết dính góp phần quan trọng việc giảm khối lượng xi măng, giảm đáng kể lượng khí thải CO2 BTXM tro bay có lượng nhiệt thủy hóa thấp, nhờ làm giảm khả xảy nứt mặt đường tác dụng nhiệt độ co ngót giai đoạn tuổi sớm so với BTXM truyền thống Trong BTXM, tro bay có ảnh hưởng định đến cường độ biểu hệ số hiệu tro bay (hệ số k) Tiêu chuẩn Châu Âu EN206 [62] đưa quy định hệ số k Trong Việt Nam, hệ số k đề cập tới tài liệu [9] mà chưa có công trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm phù hợp với nguồn vật liệu nước ta, chưa có phương pháp thiết kế thành phần BTXM tro bay theo hệ số k Các công trình nghiên cứu tro bay bê tông Việt Nam chủ yếu cho bê tông đầm lăn; làm mặt đường giao thông nông thôn đường cấp thấp làm lớp móng đường cấp cao, chưa có công trình nghiên cứu thực nghiệm có hệ thống đầy đủ tính chất tính học BTXM tro bay để làm mặt đường quốc lộ mặt đường cấp cao Với phân tích nêu trên, việc nghiên cứu ảnh hưởng tro bay đến tính toán, thiết kế thành phần BTXM; nghiên cứu tính chất học, độ bền, tính công tác BTXM tro bay để làm mặt đường ô tô đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô Việt Nam” cần thiết, có ý nghĩa lý thuyết, thực tiễn, góp phần giảm thiểu tác động đến môi trường điều kiện nước ta có hàng triệu tro bay thải năm từ nhà máy nhiệt điện Mục đích nghiên cứu luận án - Phân tích tổng quan ảnh hưởng tro bay đến tính chất bê tông chế phản ứng hỗn hợp BTXM tro bay - Xác định hệ số hiệu tro bay (k) để làm sở thiết lập trình tự thiết kế thành phần vật liệu bê tông theo hệ số k - Xác định số tính chất hỗn hợp, tính học độ bền BTXM tro bay đáp ứng yêu cầu làm mặt đường ô tô - Thiết kế dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay phân tích ảnh hưởng tro bay đến khả kháng nứt mặt đường giai đoạn tuổi sớm Nội dung, phạm vi phương pháp nghiên cứu - Nội dung nghiên cứu: khái quát BTXM tro bay, chế phản ứng thủy hóa phản ứng puzơlan, phân tích ảnh hưởng tro bay đến đặc tính bê tông Thiết lập công thức lý thuyết tiến hành thí nghiệm xác định hệ số k Chế tạo thí nghiệm tính BTXM tro bay làm mặt đường ô tô Phân tích khả ứng dụng thiết kế dạng kết cấu áo đường BTXM tro bay Phân tích ảnh hưởng tro bay đến cường độ, ứng suất khả kháng nứt mặt đường BTXM tro bay - Phạm vi nghiên cứu: Sử dụng vật liệu gồm tro bay nhiệt điện sau tuyển đáp ứng tiêu chuẩn ASTM C618 xi măng PC40 Thí nghiệm tính học bê tông để làm lớp mặt đường ô tô - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm phòng Những kết luận án - Đã xây dựng mô hình lý thuyết để xác định hệ số k theo tỷ lệ tro bay / (1 − 0,5ω ) CKD (f), nước / CKD (ω): k= ( R − 1) + f S - Từ đề xuất hệ số thực nghiệm k với nguồn vật liệu tro bay nước ta: f = 15 ÷ 35% ⇔ k = 0,7 ÷ 0,4 ; f = 35 ÷ 70% ⇔ k = 0,4 ÷ 0,27 - Đã thiết lập phương pháp thiết kế thành phần vật liệu BTXM tro bay gồm bước Trong hệ số k dùng để điều chỉnh hàm lượng chất kết dính gồm xi măng tro bay nhằm đạt cường độ nén kéo uốn thiết kế tuổi 28 ngày - Đã thử nghiệm tính học, độ bền, tính công tác BTXM tro bay cho thấy khả đáp ứng yêu cầu để làm mặt đường ô tô cấp III, IV trở xuống đưa dạng kết cấu áo đường phù hợp - Đã phân tích ảnh hưởng tích cực tro bay đến khả kháng nứt ứng suất nhiệt gây mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm Bố cục luận án Luận án bao gồm 130 trang thuyết minh với 70 bảng; 56 hình vẽ, đồ thị; có 103 tài liệu tham khảo phần phụ lục gồm 97 trang Chương 1: Tổng quan BTXM tro bay Chương 2: Xác định hệ số hiệu tro bay thiết kế thành phần BTXM tro bay Chương 3: Thí nghiệm số tính BTXM tro bay làm mặt đường ô tô Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay kết cấu mặt đường ô tô Phần kết luận Phần phụ lục 3 Chương TỔNG QUAN VỀ BTXM TRO BAY - Ở nhiều nước giới Mỹ, Canada, Ấn độ, Hàn Quốc, việc nghiên cứu tro bay bê tông phát triển ứng dụng đa dạng lĩnh vực xây dựng mặt đường ô tô sân bay Ở nước ta, nghiên cứu chủ yếu thực nghiệm để đưa số loại thành phần bê tông Các công trình mặt đường ô tô ứng dụng thực tế chủ yếu đường giao thông nông thôn đường cấp thấp làm lớp móng mặt đường Nội dung Chương trình bày khái quát chung quy định BTXM làm mặt đường ô tô; BTXM tro bay từ đưa nhận xét sau: - Trên giới Việt Nam xu hướng sử dụng BTXM làm mặt đường ngày tăng, đặc biệt đường cấp cao đường trục Các tính bê tông cần phải đáp ứng cường độ chịu kéo uốn độ bền nhiệt nhằm đảm bảo khả chịu lực độ bền khai thác Ở Việt Nam nay, tro bay sau tuyển đáp ứng yêu cầu kỹ thuật (ASTM C618) sử dụng cho bê tông làm mặt đường ô tô - Quá trình phản ứng diễn hỗn hợp BTXM tro bay gồm phản ứng thuỷ hoá phản ứng puzơlan (giữa oxit SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO với Ca(OH)2) Kết phản ứng puzơlan chuyển hóa Ca(OH)2 bền vững thành chất CSH có tính bền vững giúp cho bê tông tăng thêm cường độ, tăng khả chống thấm, chống ăn mòn Mức độ phản ứng puzơlan phụ thuộc vào tỷ lệ tro bay (f) tỷ lệ nước (ω) Hình 1.1 – Quá trình phản ứng BTXM thông thường không tro bay Hình 1.2 – Quá trình phản ứng BTXM tro bay - Lựa chọn tỷ lệ tro bay (f) hợp lý tạo bê tông có cường độ chịu lực đáp ứng yêu cầu kỹ thuật làm mặt đường ô tô Bên cạnh tro bay có tác dụng giảm nhiệt thủy hóa; tăng độ bền chịu nước, ion clo giảm lượng khí thải CO2 trình sản xuất xi măng môi trường - Ảnh hưởng tro bay mặt cường độ thể hệ số hiệu (k) Ở tuổi thí nghiệm định, hệ số k phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ tro (f) tỷ lệ N/CKD (ω) Ở nước ta chưa có nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm để xác định hệ số k - Một số phương pháp lựa chọn thành phần BTXM tro bay xem tro bay loại chất kết dính sử dụng để thay phần xi măng túy mặt khối lượng mà chưa xét đến hiệu tro bay bê tông tro bay xi măng có ảnh hưởng khác đến phát triển cường độ tính học khác Chương XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HIỆU QUẢ TRO BAY VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BTXM TRO BAY 2.1 Phương pháp xác định hệ số hiệu tro bay (k) Cường độ nén BTXM tro bay 28 ngày (RFC) xây dựng sở công thức Bolomey cải tiến: X + kF (2.1) R = A R [ FC − 0,5] FC x N Trong đó: Rx cường độ nén xi măng ; XFC F khối lượng xi măng tro bay BTXM tro bay (FC); N A lượng nước hệ số chất lượng cốt liệu; k hệ số hiệu tro bay Gọi Rs tỷ số cường độ bê tông FC cường độ BTXM thông thường không tro bay (PC) Từ thiết lập công thức xác định hệ số k: (1 − 0,5ω ) (2.2) k= ( RS − 1) + f Trong đó: f tỷ lệ tro bay / CKD; ω tỷ lệ N/CKD 2.2 Thí nghiệm xác định hệ số hiệu tro bay Theo Cho.HB [56] ảnh hưởng tỷ lệ tro bay (f) tỷ lệ nước (ω) đến hệ số k bê tông vữa xi măng tro bay có tương đồng Vật liệu thí nghiệm gồm xi măng Nghi Sơn PC40; tro bay Phả Lại loại F với loại tỷ lệ 0; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50 70 % loại tỷ lệ nước (ω) 0,35; 0,4 0,5 Tổng cộng có 162 mẫu thí nghiệm Hình 2.1– Quan hệ hệ số RS với tỷ lệ f tỷ lệ ω Từ kết thí nghiệm cường độ nén vữa xi măng tro bay FC vữa xi măng PC, thiết lập biểu đồ quan hệ Rs với tỷ lệ tro bay (f) nước (ω) Hình 2.1 Ở ba tỷ lệ nước (ω) Rs đạt giá trị lớn f =15% Sau Rs giảm dần tỷ lệ tro bay (f) tăng lên Sử dụng phương pháp phân tích hồi quy tương quan thực nghiệm, phân tích phương sai nhằm đánh giá ảnh hưởng biến số f ω tới Rs với mức ý nghĩa α = 0,05 có độ tin cậy 95% Bảng 2.1 thành phần hạt nhỏ lấp đầy lỗ rỗng Kết phân tích hoàn toàn phù hợp với kết nghiên cứu lý thuyết mức độ phản ứng hóa học tro bay bê tông Lúc ảnh hưởng tỷ lệ N/CKD đến hệ số k không nhiều, hệ số k phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ tro bay f Từ đồ thị Hình 2.2 chia thành đoạn Bảng 2.3 Bảng 2.3 – Giá trị hệ số hiệu tro bay (k) TT Tỷ lệ tro bay (f) Hệ số hiệu tro bay (k) 15 ÷ 35% 0,70 ÷ 0,40 35 ÷ 70% 0,40 ÷ 0,27 Đối chiếu với số kết nghiên cứu quy định giới Babu kiến nghị với f = 15 ÷ 75%, k = 1,15 ÷ 0,33; Cho H.B kiến nghị với f = 15 ÷ 70%, k = 1,24 ÷ 0,2 Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 206:2013 quy định thí nghiệm để xác định k dùng đồng hệ số mức tối thiểu 0,4 (f ≤ 33%) Tuy nhiên có số quốc gia đưa quy định riêng, Ailen (k = 0,2 ÷ 0,8 với f ≤ 25%); Đan Mạch (k = 0,5 với f ≤ 33%); Pháp (0,4; 0,5 thường 0,6 với f ≤ 35%); Đức (0,4 0,7 với f ≤ 33%) So sánh với giá trị tham khảo kết thí nghiệm hệ số k với thông số vật liệu nước ta thu có độ tin cậy 2.3 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông theo hệ số hiệu tro bay Phương pháp thiết kế xây dựng vận dụng theo tiêu chuẩn ACI 211.4R có xét đến ảnh hưởng hệ số hiệu (k) Nội dung gồm bước: + Xác định cường độ yêu cầu độ sụt (Bước 1); + Lựa chọn cỡ hạt lớn danh định cốt liệu (Bước 2); + Lựa chọn thành phần cốt liệu thô tối ưu (Bước 3); + Xác định lượng nước hàm lượng khí (Bước 4); + Xác định tỷ lệ nước / xi măng (Bước 5); + Xác định khối lượng xi măng ban đầu (Bước 6); + Xác định khối lượng xi măng tro bay (Bước 7); + Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay theo hệ số k (Bước 8) Trong hàm lượng xi măng (XFC) tro bay (F) xác định dựa vào tỷ lệ tro bay (f), hệ số k khối lượng xi măng ban đầu (X0) sau: 1− f f (2.7) X = X ; F= X Bảng 2.1 – Kết phân tích tương quan hệ số Rs với tỷ lệ (f) (ω) Tỷ lệ tro bay Phương trình hồi quy Hệ số R2 -1 0,899 (2.3) ÷ 15% Rs = 0,67 f – 0,063 ω + 1,018 15 ÷ 70% Rs = – 1,093 f + 1,149 0,884 (2.4) Thay công thức (2.3),(2.4) vào (2.2) thu phương trình hệ số k sau: Bảng 2.2 – Phương trình thực nghiệm hệ số hiệu tro bay (k) Tỷ lệ tro bay (f) Hiệu tro bay (k) 1 ω k = −0,063 − 0,335ω + 0,05 − 0,009 + 1,67 (2.5) ÷ 15% fω f f ω k = 0,546ω + 0,149 − 0,0074 − 0,093 15 ÷ 70% (2.6) f f Để thuận tiện cho tra cứu, thay giá trị f = 0,1 ÷ 0,7 ω = 0,35 ÷ 0,5 vào công thức (2.5),(2.6) để xác định hệ số k Mặt khác theo Cho.HB [55],[56], hệ số k bê tông lấy 0,9 lần vữa từ thiết lập biểu đồ quan hệ hệ số k với tỷ lệ tro bay (f) nước / CKD sau: Hình 2.2 – Quan hệ hệ số k với f ω Theo Hình 2.2, tỷ lệ tro bay từ 10 ÷ 15% đồ thị có xu hướng lên (k tăng) lượng Ca(OH)2 tạo từ phản ứng thuỷ hoá tham gia phản ứng pozzolan với thành phần hoạt tính tro bay (SiO2, Al2O3) tạo khoáng CHS bền vững Hệ số k có giá trị cực đại tỷ lệ f = 15% Khi tỷ lệ tro bay lớn 15%, lượng xi măng hỗn hợp giảm đáng kể, đồng thời lượng tro bay tăng lên nhiều phần tro bay tham gia phản ứng pozzolan không đủ bù đắp cường độ lượng xi măng giảm Trong lượng lớn tro bay đóng vai trò FC + ( k − 1) f + ( k − 1) f 2.4 Thí nghiệm thiết lập công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô Mục tiêu thiết lập công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô với cường độ thiết kế Rtkku = 4,5 MPa, Rtkn = 41,3 MPa Nội dung thí nghiệm BTXM tro bay FCk.NC với hệ số kNC (Bảng 2.3) thí nghiệm đối chứng với loại bê tông FCk.EN có hệ số kEN = 0,4 theo EN206 Mỗi loại bê tông với loại tỷ lệ tro bay 15%; 20%; 25%, 30% 33% (theo EN206) Một tổ thí nghiệm gồm mẫu hình trụ Vật liệu xi măng tro bay nêu mục 2.2; cát có mô đun độ lớn 2,9; đá dăm có Dmax=12,5 mm Kết thí nghiệm phân tích phần mềm Minitab 17 sau: Khối lượng xi măng cao dẫn tới tượng co ngót nhiệt trình thủy hóa Nhiệt thủy hóa tỏa dẫn đến chênh lệch nhiệt độ bề mặt lòng khối bê tông nguyên nhân phát sinh ứng suất kéo gây vết nứt mặt đường BTXM Bên cạnh việc tiêu chuẩn EN206 đưa hệ số k chung cho tỷ lệ tro bay khác không đánh giá ảnh hưởng tro bay đến cường độ bê tông Với kết thí nghiệm dùng hệ số kNC hàm lượng xi măng giảm đáng kể tỷ lệ tro bay lớn 30 %, bê tông khó đạt cường độ thiết kế mong muốn Vì vậy, kiến nghị tỷ lệ tro bay sử dụng từ 15 ÷ 30 % hệ số k lấy giá trị trung bình kEN kNC sau: Bảng 2.5 – Giá trị hệ số hiệu tro bay bê tông mặt đường ô tô Tỷ lệ tro bay, f 15 ÷ 20% 20 ÷ 25% 25 ÷ 30% Hệ số hiệu tro bay, k 0,55 ÷ 0,52 0,52 ÷ 0,48 0,48 ÷ 0,44 Khi thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô tính toán theo tỷ lệ tro bay f hệ số k sau: Bảng 2.6 – Thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô Loại BTXM tro bay TT Tên tiêu PC FC15 FC20 FC25 FC30 A Thành phần vật liệu Khối lượng xi măng (XFC), kg 400 390 380 370 440 Khối lượng tro bay (F), kg 73 96 125 160 Khối lượng cốt liệu thô, kg 1106 1106 1106 1106 1106 Khối lượng nước (N), kg 172 172 172 172 172 Khối lượng cốt liệu nhỏ, kg 700 685 665 640 740 Phụ gia hóa dẻo, lít 4,00 3,90 3,80 3,70 4,40 B Các thông số tính toán Hệ số hiệu tro bay (k) 0,55 0,52 0,48 0,44 Khối lượng chất kết dính, kg 473 486 505 530 440 40 50 60 70 Khối lượng xi măng quy đổi Tổng khối lượng xi măng sau 440 440 440 440 440 10 quy đổi (Σ Xqđ=XFC + k.F), kg 11 Tỷ lệ tro bay / CKD, % 15 20 25 30 85 80 75 70 12 Tỷ lệ xi măng / CKD, % 100 18 25 33 43 13 Tỷ lệ tro bay / xi măng, % 0,36 0,35 0,34 0,32 14 Tỷ lệ N / CKD 0,39 15 Tỷ lệ nước / xi măng quy đổi 0,39 0,39 0,39 0,39 0,39 Từ số liệu Bảng 2.6, phân tích theo Hình 2.5: đưa hệ số k vào công thức tính toán thành phần vật liệu theo nguyên tắc với tỷ lệ tro bay khác nhau, tổng khối lượng xi măng quy đổi (ΣXqđ=XFC + k.F) không đổi để loại bê tông đạt cường độ thiết kế yêu cầu 60 Cư ng đ ộ nén (M Pa ) 50 60 51.17 50.44 45.31 49.84 43.39 42.01 41,3 R_tk 40 46.52 46.45 50 30 30 20 20 10 10 FC15 FC20 FC25 Loại bê tông tro bay FC(k.NC) FC30 50.83 50.70 46.31 FC33 49.69 45.84 41.3R_tk 39.98 40 41.30 47.39 44.66 45.57 42.36 40.53 FC15 FC20 FC25 FC30 FC33 Loại bê tông tro bay FC(k.EN) Hình 2.3 Kết thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay Nhận xét: Khi tỷ lệ f = 33 %, bê tông FC33k.NC FC33k.EN có cường độ nén (đặc trưng) nhỏ cường độ thiết kế Vì nên sử dụng tỷ lệ f ≤ 30 % thiết kế cho bê tông có cường độ kéo uốn Rtkku = 4,5 MPa Từ kết thí nghiệm xác định cường độ nén đặc trưng (f ’c) đem so sánh với cường độ nén thiết kế Rtkn (41,3 MPa) lập thành bảng sau: Bảng 2.4 – So sánh cường độ nén đặc trưng (f’c) cường độ thiết kế (Rtkn) BTXM tro bay FCk-NC BTXM tro bay FCk-EN Tỷ lệ tro bay Cường độ đặc Tỷ số Cường độ đặc Tỷ số % trưng f’c, MPa f’c / Rtkn trưng f’c, MPa f’c / Rtkn 15 45,31 1,10 46,31 1,12 20 43,39 1,05 45,84 1,11 25 42,01 1,02 44,66 1,08 30 41,30 1,00 42,36 1,02 Hình 2.4 – Biểu đồ quan hệ tỷ số f’c / Rtkn tỷ lệ tro bay (f) Nhận xét: Ở tỷ lệ tro bay (f) định, cường độ đặc trưng bê tông FCk-EN lớn so với bê tông FCk-NC khối lượng xi măng sử dụng nhiều Tuy nhiên bê tông FCk-EN với tỷ lệ f 15 % 20 % có khối lượng xi măng tương ứng 412 kg/m3 401 kg/m3 lớn theo quy định đối làm mặt đường ô tô 400 kg/m3 9 10 Bảng 3.1 – Kế hoạch phương pháp thí nghiệm (tiếp theo) Tên tiêu Số lượng mẫu + Thời gian bắt đầu đông kết 3 3 + Thời gian kết thúc đông kết 3 3 mẫu Nhiệt độ tỏa bê tông 3 Cường độ nén (ASTM C39) 120 mẫu + Cường độ nén ngày 6 6 + Cường độ nén 14 ngày 6 6 + Cường độ nén 28 ngày 6 6 + Cường độ nén 56 ngày 6 6 30 mẫu Mô đun đàn hồi (ASTM C469) 6 6 30 mẫu Cường độ kéo uốn (ASTM C78) 6 6 30 mẫu Độ mài mòn (TCVN 3114:1993) 6 6 30 mẫu 10 Độ thấm nước (TCVN 3116:1993) 6 6 3.1 Thí nghiệm tính công tác hỗn hợp bê tông 3.1.1 Độ sụt Bảng 3.2 – Kết thí nghiệm độ sụt bê tông BTXM tro bay (FC) Bê tông TT Độ sụt (mm) PC FC15 FC20 FC25 FC30 Độ sụt SN (0 phút) 47,0 53,5 59,0 64,5 42,4 Độ sụt (sau 45 phút) 31,5 41,4 48,3 54,9 23,2 Độ sụt (sau 60 phút) 24,3 33,9 42,5 50,1 16,4 Tổn thất độ sụt sau 45 phút 15,5 12,1 10,7 9,6 19,2 Tổn thất độ sụt sau 60 phút 22,7 19,6 16,5 14,4 26,0 Tỷ số SNFC / SNPC 1,1 1,3 1,4 1,5 1,0 TT Hình 2.5 Biểu đồ khối lượng thành phần vật liệu bê tông FC bê tông PC 2.5 Kết luận chương (1) Đã xây dựng mô hình lý thuyết để xác định hệ số hiệu k (2) Kết thí nghiệm phân tích ảnh hưởng tỷ lệ tro bay hệ số k: + Với tỷ lệ tro bay 15 %, hệ số k đạt cực đại Với tỷ lệ tro bay lớn 15 % hệ số k giảm dần, hệ số k phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ tro bay (f) có giá trị sau: + Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 15 ÷ 35 %): hệ số k = 0,70 ÷ 0,40; + Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 35 ÷ 70 %): hệ số k = 0,40 ÷ 0,27 (3) Đã thiết lập phương pháp thiết kế thành phần vật liệu BTXM tro bay theo hệ số k (gồm bước) (4) Kết nghiên cứu thực nghiệm việc thành phần BTXM tro bay làm mặt đường ô tô với tỷ lệ tro bay (loại F) sử dụng từ 15 ÷ 30 % Chương THÍ NGHIỆM MỘT SỐ TÍNH NĂNG CỦA BTXM TRO BAY LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ Với công thức thành phần vật liệu xác định chương 2, tiến hành thí nghiệm số tính BTXM tro bay làm mặt đường ô tô sau: Bảng 3.1 – Kế hoạch phương pháp thí nghiệm TT Tên tiêu Số lượng mẫu Ký hiệu loại bê tông PC FC15 FC20 FC25 FC30 Tỷ lệ tro bay / chất kết dính % 15 % 20 % 25 % 30 % Độ sụt (TCVN 3016:1993) 45 mẫu + Độ sụt (0 phút) 3 3 + Độ sụt (sau 45 phút) 3 3 + Độ sụt (sau 60 phút) 3 3 Đông kết (TCVN 6017:1995) 30 mẫu Hình 3.1 Kết thí nghiệm độ sụt bê tông 11 Nhận xét: Độ sụt tăng theo tỷ lệ tro bay, so với bê tông PC độ sụt bê tông FC tăng từ 1,1 ÷ 1,5 lần Tro bay cải thiện trì ổn định độ sụt bê tông có hạt dạng hình tròn, mịn xi măng lượng cacbon thấp 3.1.2 Thời gian đông kết Bảng 3.3 – Kết thí nghiệm thời gian đông kết chất kết dính Xi măng tro bay Xi TT Thời gian đông kết (phút) măng FC15 FC20 FC25 FC30 Bắt đầu tBĐ 137 145 154 162 125 Kết thúc tKT 165 175 187 197 146 Thời gian bắt đầu – kết thúc 28 30 33 35 21 Hiệu số tFC – tPC (bắt đầu) 12 20 29 37 Hiệu số tFC – tPC (kết thúc) 19 29 41 51 12 Hình 3.3 Sự phát triển nhiệt độ tâm mẫu bê tông Theo lý thuyết, nhiệt độ tỏa có quan hệ tuyến tính với tỷ lệ tro bay, xác định nhiệt độ tỏa loại bê tông lại sau: Bảng 3.5 – Kết thí nghiệm nhiệt độ tỏa bê tông BTXM tro bay (FC) Bê tông TT Nhiệt độ (oC) PC FC15 FC20 FC25 FC30 Nhiệt tỏa ra, ∆T 39,2 36,5 33,8 31,1 41,9 Hình 3.2 Kết thí nghiệm thời gian đông kết Nhận xét: Thời gian bắt đầu kết thúc đông kết tăng theo tỷ lệ tro bay So với chất kết dính có xi măng chất kết dính xi măng-tro bay có thời gian bắt đầu chậm 12÷37 phút kết thúc chậm 19÷51 phút, nguyên nhân tốc độ phản ứng puzơlan tro bay chậm phản ứng thủy hóa 3.2 Thí nghiệm nhiệt tỏa bê tông Mẫu thí nghiệm đúc khuôn có kích thước 250 × 250 × 400 mm, đầu đo nhiệt bố trí gồm nhiệt độ tâm; nhiệt độ vách; nhiệt độ vị trí cách cạnh bên 100 mm; nhiệt độ bể môi trường Bảng 3.4 – Kết đo nhiệt độ lớn tâm mẫu bê tông TT Loại bê tông PC FC30 Nhiệt độ môi trường (oC) 20,1 20,2 Nhiệt độ cao khối đổ (oC) 64,8 53,4 Nhiệt độ tăng thêm, ∆T (oC) 41,9 31,1 Thời gian đạt tới nhiệt độ cao (giờ) 40 48 Nhận xét: Nhiệt độ cao bê tông PC 64,8 0C 40 giờ; bê tông FC30 53,4 0C 48 giờ, nhiệt độ tỏa giảm 11,4 0C (17,6 %) thời gian đạt tới nhiệt độ lớn kéo dài thêm 3.3 Thí nghiệm phát triển cường độ nén bê tông Bảng 3.6 – Tổng hợp kết thí nghiệm cường độ nén đặc trưng BTXM tro bay (FC) Cường độ nén Bê tông TT (MPa) PC FC15 FC20 FC25 FC30 ngày 35,46 34,38 33,13 32,30 38,35 14 ngày 40,86 39,30 38,62 37,84 42,93 28 ngày 46,57 45,92 45,09 44,29 47,14 56 ngày 49,06 49,49 48,42 46,96 48,66 Hình 3.4 Biểu đồ phân tích phát triển cường độ nén BTXM tro bay Nhận xét: Ở 14 ngày, cường độ nén bê tông FC nhỏ bê tông PC rõ rệt Ở 28 ngày, chênh lệch thu hẹp dần (bê tông FC15, FC20 gần 13 14 tương đương) Đến 56 ngày cường độ nén bê tông có tỷ lệ 15 ÷ 25 % tro bay chí vượt bê tông PC chứng tỏ phản ứng puzơlan phát huy tích cực mặt cường độ để bù đắp lượng xi măng giảm 3.4 Thí nghiệm cường độ kéo uốn Bảng 3.7 – Kết thí nghiệm cường độ kéo uốn BTXM tro bay (FC) Bê tông TT Kết thí nghiệm PC FC15 FC20 FC25 FC30 Cường độ kéo uốn (MPa) 4,88 4,77 4,73 4,67 5,01 Nhận xét: Kết thí nghiệm mô đun đàn hồi loại BTXM tro bay có tương đồng ý nghĩa thống kê Bê tông FC15, FC20 có mô đun đàn hồi gần tương đương so với bê tông PC; tỷ lệ tro bay từ 25 ÷ 30 %, mô đun đàn hồi bê tông FC giảm (tương tự với cường độ nén) Quan hệ mô đun đàn hồi – cường độ nén theo công thức: Eb = 20.600 (Rn / 10)1/3 (MPa) 3.6 Thí nghiệm độ mài mòn Bảng 3.9 – Kết thí nghiệm độ mài mòn BTXM tro bay (FC) Bê tông TT Kết thí nghiệm PC FC15 FC20 FC25 FC30 Độ mài mòn (g/cm2) 0,224 0,207 0,217 0,250 0,236 5.02 (Rtb) C n g đ ộ k éo u ố n ( M P a ) 4.88 Rku 4.95 4.91 4.77 4.73 4.86 4.67 Phân tích ANOVA khác biệt nhóm kết thí nghiệm Báo cáo tổng hợp Có khác biệt ? 4.5 0.05 Sự khác biệt 0.1 > 0.5 Yes No P = 0.098 Differences among the means are not significant (p > 0.05) # Sample FC30 FC25 FC20 FC15 Từ nhóm mẫu None Identified Biểu đồ so sánh sai khác giá trị trung bình Biểu đồ so sánh sai khác giá trị trung bình FC20 - FC15 Comments • Kiểm tra: Không có đủ chứng để kết luận có khác biệt gía trị trung bình mức ý nghĩa alpha = 0,05 • So sánh biểu đồ: đoạn màu xanh rằng, giá trị trung bình khác biệt đáng kể FC30FC25 - FC15 FC30 - FC15 FC25 FC25 - FC20 FC30 - FC20 FC20 FC30 - FC25 FC15 FC20 FC25 -0.4 FC30 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 FC15 Loại bê tông tro bay FC Hình 3.5 Biểu đồ phân tích kết thí nghiệm cường độ kéo uốn Nhận xét: Kết phân tích cho thấy, giá trị thống kê P(F) = 0,098 lớn mức ý nghĩa α = 0,05 kết thí nghiệm cường độ kéo uốn loại BTXM tro bay có tương đồng thống kê Cường độ đặc trưng BTXM tro bay có giá trị từ 4,88÷4,67 MPa, lớn so với thiết kế (4,5 MPa) từ 1,037÷1,113 lần Tương tự cường độ nén, cường độ kéo uốn thấp không nhiều so với bê tông đối chứng (bằng 93,2÷97,5 %) Giữa Rku Rn có quan hệ theo công thức: Rku = 0,71.(Rn)1/2 (MPa) 3.5 Thí nghiệm mô đun đàn hồi Bảng 3.8 – Kết thí nghiệm mô đun đàn hồi BTXM tro bay (FC) Bê tông TT Kết thí nghiệm PC FC15 FC20 FC25 FC30 Mô đun đàn hồi, GPa 31,05 30,79 30,68 30,33 31,11 35 M ô đ un đ àn h ồi (G Pa) 30 32.62(Etb) 31.05 (Eb) 31.92 30.79 31.66 30.68 31.60 30.33 Hình 3.7 Biểu đồ phân tích kết thí nghiệm độ mài mòn Nhận xét: Với tỷ lệ f = 15 % ÷ 25 %, độ mài mòn bê tông FC thấp so với bê tông PC Điều giải thích chênh lệch cường độ nén không nhiều, ảnh hưởng hạt tro bay có kích thước mịn nên làm hỗn hợp đặc Ở tỷ lệ f = 30 %, cường độ giảm nhiều ảnh hưởng đến khả chịu mài mòn BTXM tro bay 3.7 Thí nghiệm độ thấm nước Bảng 3.10 – Kết thí nghiệm độ thấm nước BTXM tro bay (FC) Bê tông TT Kết thí nghiệm PC FC15 FC20 FC25 FC30 Độ thấm nước (at.) 20 22 21 18 18 29.0 25 20 15 10 FC15 FC20 FC25 FC30 Loại bê tông tro bay FC Hình 3.6 Biểu đồ phân tích kết thí nghiệm mô đun đàn hồi Hình 3.8 Biểu đồ phân tích kết thí nghiệm độ thấm nước 15 Nhận xét: Độ chống thấm nước bê tông với tỷ lệ 15÷25% tro bay cao so với bê tông PC tác dụng hạt tro bay có kích thước nhỏ làm tăng độ đặc cho hỗn hợp bê tông Bê tông 30% tro bay không cải thiện khả chống thấm nước 3.8 Kết luận chương (1) So với BTXM thông thường không tro bay, sử dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô làm giảm khối lượng xi măng có ưu điểm sau: - Tro bay cải thiện độ sụt hỗn hợp bê tông nhờ nâng cao chất lượng công tác san rải đầm nén mặt đường - Thời gian bắt đầu kết thúc đông kết kéo dài, tạo điều kiện thuận lợi cho trình vận chuyển thi công bê tông mặt đường - Giảm nhiệt thủy hóa làm chậm thời gian đạt tới nhiệt độ lớn nhất, giúp cho mặt đường tăng cường khả kháng nứt giai đoạn tuổi sớm - Bê tông có tỷ lệ tro bay 15 ÷ 25 % cải thiện đáng kể khả chống mài mòn chống thấm giúp tăng cường độ bền cho mặt đường - Giảm lượng lớn khí thải CO2 sinh từ công nghiệp sản xuất xi măng tái sử dụng lại nguồn tài nguyên (tro bay) (2) Tuy nhiên bên cạnh ưu điểm nêu bê tông với tỷ lệ tro bay từ 30 % trở lên có cường độ (nén, kéo uốn mô đun đàn hồi) thấp đáng kể so với BTXM thông thường không tro bay Chương NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BTXM TRO BAY TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 4.1 Phân tích khả ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô Từ kết thí nghiệm tiêu lý, phân tích đối chiếu với quy định kỹ thuật thiết kế thi công cho thấy BTXM tro bay hoàn toàn đáp ứng yêu cầu [12],[13] để làm lớp mặt đường sau: Bảng 4.1 – Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay cấp đường Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD (f) TT Chỉ tiêu Yêu cầu 15% 20% 25% 30% Độ sụt, mm 47,0 53,5 59,0 64,5 ≥ (20÷60) Thời gian bắt đầu 137 145 154 162 đông kết, phút (90÷600) Thời gian kết thúc 165 175 187 197 đông kết, phút Cường độ nén, ≥ 36 (1) 46,57 45,92 45,09 44,29 MPa ≥ 30 (2) ≥ 29 (1) Mô đun đàn hồi, 31,05 30,79 30,68 30,33 GPa ≥ 27 (2) Cường độ kéo ≥ 4,5 (1) 4,88 4,77 4,73 4,67 uốn, MPa ≥ 4,0 (2) 16 Bảng 4.1 – Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay cấp đường (tiếp theo) Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD (f) TT Chỉ tiêu Yêu cầu 15% 20% 25% 30% Độ mài mòn, ≤ 0,3 (1) 0,224 0,207 0,217 0,250 ≤ 0,6 (2) g/cm Độ thấm nước, at 20 22 21 18 39,2 36,5 33,8 31,1 Nhiệt độ tỏa ra, C IV - trung Kiến nghị sử dụng III III, IV - trung bình; (Cấp – Quy mô) nặng bình V,VI - nhẹ (2) Ghi chú: (1) Đường cấp III Đường cấp IV, V, VI * Phân tích hiệu môi trường: Trung bình km đường sử dụng BTXM tro bay giảm (68,3 ÷ 119) CO2 tương đương giảm 8,9 ÷ 15,5 % lượng khí CO2 thải môi trường so với BTXM thông thường không tro bay Hình 4.1 Biểu đồ lượng khí CO2 thải môi trường 4.2 Đề xuất dạng kết cấu áo đường BTXM tro bay Hình 4.2 Mô hình kết cấu áo đường BTXM tro bay (a) Quy mô trung bình nặng (b) Quy mô nhẹ Theo kết kiểm toán, đề xuất chiều dày mặt đường BTXM tro bay sau: 17 TT Bảng 4.2 – Bảng tổng hợp chiều dày BTXM tro bay Chiều dài (m) Loại BTXM Cấp thiết kế tro bay 4,5 4,75 5,0 25 25 25 Cấp III – quy mô cấp nặng FC15 22 22 22 FC15 23 23 23 FC20 Cấp III, IV – quy mô giao thông cấp trung bình 23 23 23 FC25 24 24 24 FC30 21 21 21 Cấp V, VI – quy mô cấp nhẹ FC30 4.3 Cường độ ứng suất mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm Giai đoạn tuổi sớm bê tông định nghĩa khoảng thời gian vòng 72 sau đổ bê tông Dưới tác dụng nhiệt độ thủy hóa, điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió) làm phát sinh ứng suất kéo có khả gây biến dạng kết cấu tạo vết nứt bên bề mặt đường Hình 4.3 Giai đoạn tuổi sớm bê tông 4.3.1 Cường độ chịu kéo bê tông tuổi sớm Cường độ chịu kéo bê tông phát triển nhờ trình thủy hóa xi măng xác định theo công thức [82]: ⎛ ψ t −ψ gh ⎞ (4.1) ⎟ Rt = R28 ⎜ ⎜ ψ −ψ ⎟ gh ⎠ ⎝ 28 đó: R28; Rt – cường độ bê tông 28 ngày thời điểm t (giờ); Ψ28; Ψt – mức độ thủy hóa 28 ngày thời điểm t; Ψgh – mức độ thủy hóa giới hạn; Ψgh = 0,43 × (N / X) 4.3.2 Ứng suất mặt đường bê tông tuổi sớm Trong giai đoạn tuổi sớm, mặt đường chưa chịu tác dụng tải trọng xe chạy thay đổi nhiệt độ nguyên nhân phát sinh ứng suất uốn vồng ứng suất kéo dọc trục (gồm ứng suất nhiệt thủy hóa co ngót) 18 4.3.2.1 Ứng suất uốn vồng Ứng suất uốn vồng (σcurl) xảy chênh lệch nhiệt độ mặt mặt bê tông, xác định theo công thức [82]: α ∇ T E (4.2) σ = c (C + μ C ) curl (1 − μ ) x y đó: ∇T chênh lệch nhiệt độ mặt mặt (°C); μ hệ số Poisson; E mô đun đàn hồi (MPa); Cx, Cy hệ số phụ thuộc vào bán kính độ cứng tương đối; αc hệ số giãn nở nhiệt bê tông (με/°C) 4.3.2.2 Ứng suất kéo dọc trục Biến dạng dọc trục bê tông bao gồm biến dạng dọc trục nhiệt thủy hóa (εz) co ngót dẻo (εsh) tính theo công thức sau [83]: ∑ [(T h ε z = α c z =0 z ,t − Tz , f − s )Δz ] (4.3) h đó: h chiều dày bê tông (mm); Tz,t nhiệt độ độ sâu z (mm) thời điểm t (0C); Tz,f-s nhiệt độ độ sâu z thời điểm kết thúc đông kết (0C); Δz độ sâu từ bề mặt xuống tới vị trí tính toán (mm) Biến dạng co ngót [51]: E ( χ + 600) (4.4) ε sh = ∇M ε s∞ E (t0 + τ sh ) đó: ∇M – gradient độ ẩm (%); t0 tuổi bê tông bê tông bắt đầu khô (ngày); εs∞ hệ số co ngót; τsh biến dạng bê tông ½ ngày, τsh = kt.(ks.h)2; h – chiều dày bê tông (mm); ks hệ số mặt cắt ngang tấm, ks = 1,0; kt hệ số kt = 190.8.t0-0,08 Rn-0,25 (ngày/mm2); Rn cường độ nén bê tông (MPa); χ tuổi bê tông ngày thứ Ứng suất kéo dọc trục sinh biến dạng dọc trục bê tông bị cản trở phần toàn phần mối nối ma sát với lớp móng: (4.5) σ axial = (ε z + ε sh ).RF Eeff đó: RF – hệ số xét đến chuyển vị tự tấm, ≤ RF ≤ Eeff – mô đun đàn hồi có xét đến từ biến: E = E eff E0 – mô đun đàn hồi bê tông 28 ngày; + J t E0 Jt – hệ số từ biến 4.3.2.3 Ứng suất lớn bê tông Ứng suất lớn bê tông [σt] giá trị lớn tổ hợp gồm ứng suất uốn vồng ứng suất kéo dọc trục, xảy hai vị trí bất lợi mặt mặt tấm, xác định sau: ⎧⎪(ε top + ε sh ).RF Eeff + σ curl ,top ⎫⎪ [σ t ] = Max ⎨ ⎬ ⎪⎩ε bot RF Eeff + σ curl ,bot ⎪⎭ (4.6) đó: σcurl,top; σcurl,bot – ứng suất kéo uốn mặt mặt 19 20 bê tông, tính theo công thức (4.2); εtop, εbot – biến dạng dọc trục vị trí mặt mặt tấm, tính theo công thức (4.3) 4.3.2.4 Điều kiện kiểm toán ứng suất mặt đường bê tông tuổi sớm [σt ] < Rt (4.7) đó: [σt] – ứng suất kéo lớn theo (4.6) Rt – cường độ chịu kéo giới hạn theo (4.1) Nội dung tính kiểm toán ứng suất mặt đường bê tông tuổi sớm trình bày tóm tắt theo sơ đồ khối sau: 4.4 Phân tích ảnh hưởng tro bay đến cường độ ứng suất mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm Để phân tích ảnh hưởng tro bay đến khả chống nứt mặt đường bê tông giai đoạn tuổi sớm, cần tiến hành tính toán cường độ, ứng suất cho dạng kết cấu áo đường thiết kế Mục 4.2 Nội dung Mục 4.4 lựa chọn loại mặt đường ô tô cấp III, IV có quy mô giao thông cấp trung bình để tính toán phân tích với cấp đường sử dụng đầy đủ loại BTXM tro bay chế tạo, đồng thời sử dụng thêm BTXM thông thường để đối chứng Với loại mặt đường khác, kết tính toán trình bày tóm tắt Mục 4.5 4.4.1 Phân tích ảnh hưởng tro bay đến phát triển cường độ Hình 4.5 Ảnh hưởng tro bay đến cường độ giai đoạn tuổi sớm Khi tỷ lệ tro bay / CKD tăng, cường độ chịu kéo giảm Thời điểm bắt đầu hình thành (4 giờ), cường độ chịu kéo bê tông FC 16,6 ÷ 42,0 % bê tông PC Nhưng sau tốc độ phát triển nhanh lên đến cuối tuổi sớm (72 giờ), bê tông FC có cường độ chịu kéo 88,9 ÷ 95,2 % bê tông PC 4.4.2 Phân tích ảnh hưởng tro bay đến phát triển ứng suất kéo Từ kết tính ứng suất kéo mặt mặt dưới, xác định giá trị ứng suất lớn vẽ thành biểu đồ cho loại bê tông Hình 4.6 Trên Hình 4.6 cho thấy, tương tự cường độ, tỷ lệ tro bay tăng ứng suất kéo giảm Tại điểm cực đại (18; 41 65 giờ), ứng suất lớn xảy mặt So với bê tông PC ứng suất bê tông FC lúc 18 76,5 ÷ 88,5 %; đến 41 81,1 ÷ 91,2 % đến 65 86,8 ÷ 94,4 % Hình 4.4 Sơ đồ tính kiểm toán ứng suất mặt đường giai đoạn tuổi sớm 21 22 Hình 4.8 Biểu đồ ứng suất cường độ chịu kéo điểm cực đại 41 Hình 4.6 Ảnh hưởng tro bay đến ứng suất kéo 4.4.3 Ảnh hưởng tro bay đến khả kháng nứt mặt đường tuổi sớm Tính tỷ số ứng suất kéo lớn cường độ chịu kéo bê tông ([σt]/Rt), tỷ số lớn 100% mặt đường có nguy xảy nứt Hình 4.7 Biểu đồ tỷ số ứng suất kéo lớn / cường độ chịu kéo Tại thời điểm nguy hiểm lúc 41 có tỷ số ứng suất kéo lớn / cường độ kéo loại bê tông đạt giá trị lớn Trong đó: + Bê tông xi măng (PC), tỷ số [σ41h]/ R41h > 100%, mặt đường có nguy xảy nứt mặt + BTXM tro bay (FC) có tỷ số [σ41h]/ R41h < 100% nên không xảy nứt Như sử dụng tro bay làm giảm đồng thời cường độ ứng suất Trong mức độ giảm ứng suất kéo nhiều cường độ chịu kéo nên nên mặt đường BTXM tro bay có nguy xảy nứt so với mặt đường BTXM thông thường không tro bay 4.5 Tổng hợp kết kiểm toán ứng suất dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay giai đoạn tuổi sớm Tiến hành tính cường độ ứng suất cho loại kết cấu áo đường BTXM tro bay đề xuất (Mục 4.2) Kết xác định cường độ ứng suất thời điểm nguy hiểm (41 giờ) tổng hợp sau: Bảng 4.3 – Tổng hợp kết kiểm toán ứng suất dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay giai đoạn tuổi sớm Chiều dài (m) Cấp TT Thông số thiết kế 4,5 4,75 5,0 A Đường cấp III – quy mô giao thông cấp nặng Chiều dày (cm) 25 25 25 1,425 1,454 1,474 Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) Bê tông FC15 Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) 1,639 1,639 1,639 Đạt Đạt Đạt Kiểm toán [σ41h] < R41h B Đường cấp III, IV – quy mô giao thông cấp trung bình Chiều dày (cm) 22 22 22 1,557 1,586 1,607 Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) Bê tông FC15 Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) 1,633 1,633 1,633 Đạt Đạt Đạt Kiểm toán [σ41h] < R41h Chiều dày (cm) 23 23 23 1,511 1,534 1,543 Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) Bê tông FC20 Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) 1,577 1,577 1,577 Đạt Đạt Đạt Kiểm toán [σ41h] < R41h Chiều dày (cm) 23 23 23 1,456 1,477 1,492 Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) Bê tông FC25 Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) 1,543 1,543 1,543 Đạt Đạt Đạt Kiểm toán [σ41h] < R41h Chiều dày (cm) 24 24 24 Bê tông FC30 1,399 1,418 1,430 Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) 23 24 Bảng 4.3 – Tổng hợp kết kiểm toán ứng suất dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay giai đoạn tuổi sớm (tiếp theo) Chiều dài (m) Cấp TT Thông số thiết kế 4,5 4,75 5,0 Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) 1,502 1,502 1,502 Đạt Đạt Đạt Kiểm toán [σ41h] < R41h C Đường cấp V, VI – quy mô giao thông cấp nhẹ Chiều dày (cm) 21 21 21 1,478 1,486 1,489 Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) Bê tông FC30 Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) 1,491 1,491 1,491 Đạt Đạt Đạt Kiểm toán [σ41h] < R41h + Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 35 ÷ 70 %): hệ số k = 0,40 ÷ 0,27 (3) Đã thiết lập trình tự thiết kế thành phần vật liệu BTXM tro bay gồm bước Trong hệ số k dùng để điều chỉnh hàm lượng chất kết dính gồm xi măng (XFC) tro bay (F) nhằm đạt cường độ nén cường độ kéo uốn thiết kế tuổi 28 ngày sau: f 1− f (kg) F= X X = X 4.6 Kết luận chương BTXM tro bay có khả đáp ứng yêu cầu cường độ, độ mài mòn, tính công tác để làm lớp mặt đường ô tô Thông qua tính kiểm toán kết cấu áo đường, đề xuất chiều dày mặt đường BTXM tro bay có chiều rộng 3,5 m; chiều dài điển hình từ 4,5 ÷ 5,0 m sau: + Đường cấp III quy mô giao thông cấp nặng sử dụng bê tông 15% tro bay với chiều dày 25 cm Đường cấp III, IV quy mô giao thông cấp trung bình sử dụng bê tông 15 ÷ 30 % tro bay với chiều dày 22 ÷ 24 cm Đường cấp V, VI quy mô giao thông cấp nhẹ sử dụng bê tông 30 % tro bay với chiều dày 21 cm Ở giai đoạn tuổi sớm (72 sau đổ bê tông), tro bay có tác dụng làm giảm ứng suất kéo (8,8÷18,9 %) lớn so với mức độ giảm cường độ (6,2÷13,7 %), nhờ tăng cường khả kháng nứt cho mặt đường KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Các kết đạt Luận án trình bày sau: (1) Đã phân tích chế phản ứng thủy hóa phản ứng puzơlan; phân tích ảnh hưởng tro bay đến tính bê tông xi măng, ảnh hưởng mặt cường độ thể hệ số hiệu tro bay bê tông (k) (2) Đã xây dựng mô hình để xác định hệ số hiệu tro bay bê tông (k) sở công thức cường độ nén Bolomey cải tiến sau: k= (1 − 0,5ω ) ( RS − 1) + f đó: f, ω – tương ứng tỷ lệ tro bay / chất kết dính tỷ lệ nước / chất kết dính; Rs – hệ số cường độ xác định thực nghiệm Đã thí nghiệm xác định hệ số hiệu k với nguồn vật liệu tro bay nước ta đề xuất giá trị sau: + Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 15 ÷ 35 %): hệ số k = 0,70 ÷ 0,40; FC + ( k − 1) f + ( k − 1) f đó: X0 lượng xi măng BTXM thông thường không tro bay (4) Đã thí nghiệm để đưa thông số chủ yếu cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn, độ thấm nước, tính công tác BTXM tro bay kết cấu mặt đường ô tô; đề xuất cấu tạo dạng kết cấu mặt đường ô tô sử dụng BTXM tro bay kiến nghị phạm vi áp dụng sau: + Đường ô tô cấp III quy mô giao thông cấp nặng sử dụng bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD 15% Đường ô tô cấp III, IV quy mô giao thông cấp trung bình sử dụng bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD từ 15 ÷ 30 % Đường cấp V, VI quy mô giao thông cấp nhẹ nên sử dụng bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD 30 % (5) Đã nghiên cứu tính toán cường độ, ứng suất mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm phân tích ảnh hưởng tro bay đến việc cải thiện đáng kể khả kháng nứt mặt đường giai đoạn sau: + Từ kết thí nghiệm tính toán cho thấy, bê tông có tỷ lệ tro bay / chất kết dính từ 15 ÷ 30 % làm giảm ứng suất kéo lớn từ 8,8 ÷ 18,9 % so với bê tông tro bay Trung bình thêm 5% tro bay giảm 4,7 % ứng suất kéo lớn II Những hạn chế định hướng nghiên cứu (1) Nghiên cứu luận án có tính định hướng với số loại vật liệu định, tiếp tục hướng nghiên cứu mở rộng cho loại vật liệu khác (tro bay loại C xi măng hỗn hợp PCB) (2) Nội dung thiết kế chế tạo thành phần vật liệu thử nghiệm tính BTXM tro bay cho đường ô tô cấp III cấp IV trở xuống Vì tiếp tục nghiên cứu giải pháp để ứng dụng làm loại mặt đường cấp cao, đường cao tốc làm lớp móng mặt đường (3) Kích thước BTXM tro bay lựa chọn theo quy định kỹ thuật thiết kế mặt đường BTXM (Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT), tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm trường nhiệt giãn nở nhiệt BTXM tro bay để tính toán thiết kế kích thước cho phù hợp (4) Luận án chủ yếu nghiên cứu phòng thí nghiệm mà chưa có điều kiện kiểm nghiệm trường Vì cần xây dựng chương trình áp dụng thử nghiệm trường kết cấu mặt đường BTXM tro bay để so sánh đối chiếu với kết nghiên cứu phòng thí nghiệm DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu, “Khả ứng dụng bê tông tro bay xây dựng mặt đường ô tô Việt Nam”, Tạp chí Giao thông vận tải số chuyên đề Hội thảo Khoa học Công nghệ Kỹ thuật giao thông, tháng năm 2014 Trần Trung Hiếu,“Nghiên cứu đánh giá mức độ phản ứng hóa học bê tông tro bay làm mặt đường ô tô”, Tạp chí Cầu đường số 10 năm 2014 Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu, “Ảnh hưởng tỷ lệ tro bay nước / chất kết dính đến hiệu tro bay bê tông”, Tạp chí Giao thông vận tải số chuyên đề Hội nghị Khoa học Công nghệ giao thông vận tải lần thứ III, tháng 10 năm 2015 Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu “Thiết kế thành phần bê tông tro bay theo hệ số hiệu (k) chế tạo thử nghiệm bê tông làm mặt đường ô tô”, Tạp chí Người xây dựng số 289 & 290 tháng 11 & 12 năm 2015 Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu, Lã Văn Chăm, “Nghiên cứu thử nghiệm số tính bê tông tro bay làm mặt đường ô tô”, Tạp chí Người xây dựng số tháng 01 & 02 năm 2016 Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu, Nguyễn Thị Giang “Nghiên cứu ảnh hưởng tro bay đến nhiệt độ bê tông mặt đường ô tô”, Tạp chí Cầu đường số năm 2016 Trần Trung Hiếu, Nguyễn Văn Tươi, Đào Phúc Lâm “Nghiên cứu giải pháp tăng cường khả kháng nứt mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm”, Tạp chí Giao thông vận tải Kỷ yếu Hội thảo nhà khoa học trẻ ngành GTVT năm 2016, số đặc biệt, năm 2017  ... nghiên cứu tính chất học, độ bền, tính công tác BTXM tro bay để làm mặt đường ô tô đề tài Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô Việt Nam cần thiết, có ý nghĩa lý thuyết,... tính BTXM tro bay làm mặt đường ô tô Phân tích khả ứng dụng thiết kế dạng kết cấu áo đường BTXM tro bay Phân tích ảnh hưởng tro bay đến cường độ, ứng suất khả kháng nứt mặt đường BTXM tro bay. .. quan BTXM tro bay Chương 2: Xác định hệ số hiệu tro bay thiết kế thành phần BTXM tro bay Chương 3: Thí nghiệm số tính BTXM tro bay làm mặt đường ô tô Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay