CHƯƠNG 2: CỐT LIỆU TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

CHƯƠNG 2: CỐT LIỆU TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG CHƯƠNG 2: CỐT LIỆU TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG2.1.Khái niệm chung Cốt liệu là các vật liệu rời nguồn gốc tự nhiên hoặc nh

VẬT LIỆU XÂY DỰNG

Câu hỏi:

Khái niệm Mác vật liệu? Mác vật liệu được xác định như thế nào?

CHƯƠNG 2: CỐT LIỆU TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG CHƯƠNG 2: CỐT LIỆU TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

2.1.Khái niệm chung

Cốt liệu là các vật liệu rời nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo có thành phần hạt xác định, được sử dụng trong sản xuất bê tông xi măng, vữa xây dựng, bê tông nhựa, làm nền đường sắt, đường bộ,

Ví dụ: Cát, đá dăm, sỏi, bột khoáng,…

Cốt liệu được phân loại dựa trên kích cỡ hạt, theo nguồn gốc cốt liệu, theo khối lượng thể tích…

PHÂN LOẠI CỐT LIỆU

- Cốt liệu thiên nhiên: Cát thiên nhiên, sỏi,cấp phối thiên nhiên…

- Cốt liệu nhân tạo: đá dăm,cát nghiền, bột khoáng,cấp phối đá dăm…

- Cốt liệu lớn: kích thước hạt 5mm-70mm

- Cốt liệu nhỏ: kích thước hạt <5mm

2.2 Cốt liệu trong xây dựng công trình giao thông

2.2.1 Cát

- Cát là cốt liệu nhỏ

- Có thể là cát thiên nhiên hay cát nhân tạo

+ Cát thiên nhiên: Hỗn hợp các hạt cốt liệu nhỏ được hình thành do quá trình phong hoá của các đá tự nhiên

+ Cát nghiền: Hỗn hợp các hạt cốt liệu kích thước nhỏ hơn 5 mm thu được do đập và hoặc nghiền từ đá

- Sử dụng:

Cát được dùng để chế tạo bê tông xi măng, bê tông asphalt, vữa xây dựng…

- Cát có cỡ hạt từ 0,14mm đến 5mm theo TCVN; từ 0,15 đến 4,75mm theo tiêu chuẩn Mỹ (ASTM); từ 0,08 đến 5mm theo tiêu chuẩn Pháp

Chất lượng cát

Thành phần hạt của cát

 Thành phần hạt là tỷ lệ phần trăm khối lượng các hạt có kích thước xác định

Thành phần hạt của cát được xác định bằng cách sàng 1000g cát khô trên bộ sàng tiêu chuẩn từ 5-0,14mm

- Lượng sót riêng biệt trên từng cỡ sàng (ai) là tỷ lệ phần trăm khối lượng cát sót trên sàng (mi) so với tổng khối lượng cát đem đi thí nghiệm (m)

ai=x100%

- Lượng sót tích lũy(Ai) trên mỗi sàng, là tổng lượng sót riêng biệt kể từ sàng lớn nhất đến sàng cần xác định ai

Ai= ai+…+a2,5  

Bộ sàng Tủ sấy có điều chỉnh nhiệt độ

Bộ sàng máy

Mô đun độ lớn (Mdl): là đại lượng không thứ nguyên, tính chính xác đến 0,1 theo công thức:

Mdl=

Căn cứ theo mô đun độ lớn, cát được phân ra các loại:

- Cát thô: Mdl trong khoảng từ lớn hơn 2,0 đến 3,3

- Cát mịn: Mdl trong khoảng từ 0,7 đến 2,0

Cát mịn dùng cho bê tông cấp thấp B15- B35

Bê tông cấp từ B35 trở lên phải sử dụng cát thô (Mdl>2,6)

 

Yêu cầu về thành phần hạt của cát (TCVN 7570-2006)

Kích thước Loại cát

Yêu cầu về thành phần hạt của cát dùng cho bê tông và vữa theo ASTM C144

Ngoài ra để đánh giá độ lớn của cát, người ta còn dùng chỉ tiêu lượng nước yêu cầu hoặc thí nghiệm bề mặt riêng Hạt càng nhỏ thì bề mặt riêng càng lớn nên càng tốn xi măng bao bọc bề mặt hạt, hạt càng lớn thì các hạt càng khó trượt lên nhau nên cần nhiều nước và xi măng để tạo cho hỗn hợp bê tông có độ dẻo phù hợp.

 Hàm lượng các tạp chất (sét cục và các tạp chất dạng cục; bùn, bụi và sét) trong cát được quy định trong bảng sau:

 Tạp chất hữu cơ trong cát khi xác định theo phương pháp so màu, không được thẫm hơn màu chuẩn.

Bình chứa và thang màu chuẩn trong thí nghiệm xác định tạp

chất hữu cơ

Thùng rửa cốt liệu trong thí nghiệm xác định hàm lượng bụi bùn sét

Đá dăm (crushed rock) là cốt liệu lớn được sản xuất bằng cách đập và/hoặc nghiền đá.

Sỏi (gravel) là cốt liệu lớn được hình thành do quá trình phong hoá của đá tự nhiên.

Sỏi dăm (crushed gravel) là cốt liệu lớn được sản xuất bằng cách đập và/hoặc nghiền cuội, sỏi kích thước lớn. 2.2.2 Đá dăm, sỏi

Kích thước hạt lớn nhất của cốt liệu lớn (Dmax) là kích thước danh nghĩa tính theo kích thước mắt sàng nhỏ

nhất mà không ít hơn 90 % khối lượng hạt cốt liệu lọt qua

Kích thước hạt nhỏ nhất của cốt liệu lớn (Dmin) là kích thước danh nghĩa tính theo kích thước mắt sàng lớn

nhất mà không nhiều hơn 10 % khối lượng hạt cốt liệu lọt qua

Thành phần hạt của đá dăm (kích thước hạt từ 5mm trở lên)

Cân một lượng mẫu thử đã được sấy khô với khối lượng phù hợp kích thước lớn nhất của hạt cốt liệu Sàng cốt liệu trên bộ sàng tiêu chuẩn theo thứ tự kích thước mắt sàng nhỏ dần từ trên xuống dưới lần lượt là: 100 mm; 70 mm; 40 mm; 20 mm; 10 mm; 5 mm

và đáy sàng.

Kích thước lớn nhất của hạt cốt liệu: Dmax (mm) 10 20 40 70 > 70

Tùy thuộc mục đích sử dụng (chế tạo bê tông xi măng, vữa, bê tông nhựa, xây dựng đường ), cốt liệu lớn phải có thành phần hạt thỏa mãn quy định trong các Tiêu chuẩn về vật liệu cụ thể

Xác định cường độ chịu nén của đá gốc

Từ các viên đá gốc, dùng máy khoan hoặc máy cắt để lấy ra 10 mẫu hình trụ, có đường kính và chiều cao từ 40 mm đến 50 mm, hoặc hình khối lập phương có cạnh từ 40 mm đến 50 mm Trong số này 5 mẫu dùng để thử cường độ nén ở trạng thái bão hòa nước,

5 mẫu thử cường độ nén ở trạng thái khô để xác định hệ số hóa mềm Hai mặt mẫu đặt lực ép phải mài nhẵn bằng máy mài và phải song song nhau

Cường độ nén (RN) của đá gốc, tính bằng MPa chính xác tới 0,1 MPa, theo công thức:

RN = trong đó:

P là tải trọng phá hoại của mẫu ép trên máy ép, tính bằng Niutơn (N);

F là diện tích mặt cắt ngang của mẫu, tính bằng milimét vuông (mm2)

 

Ngoài ra, cường độ (mác) của đá còn được xác định thông qua thí nghiệm nén một lượng cốt liệu lớn trong xi lanh bằng

thép và được gọi là độ nén dập

Lấy mẫu và chuẩn bị mẫu

Sàng cốt liệu lớn các kích thước: từ 5 mm đến 10 mm; từ 10 mm đến 20mm; từ 20 mm đến 40 mm qua các sàng tương ứng với cỡ hạt lớn nhất và nhỏ nhất của từng loại đá dăm (sỏi) Mẫu được lấy trên các sàng nhỏ

Nếu dùng xi lanh đường kính trong 75 mm thì lấy mẫu không ít hơn 0,5

kg Nếu dùng xi lanh đường kính trong 150 mm thì lấy mẫu không ít hơn 4 kg

Cú thể dựng xi lanh đường kớnh trong 75mm với đỏ cú kớch thước từ 20mm trở xuống.

Khi dựng xi lanh đường kớnh 75 mm thỡ cõn 400 g mẫu đó chuẩn bị ở trờn, khi dựng xi lanh đường kớnh 150 mm thỡ cõn 3 kg mẫu

Mẫu đỏ dăm (sỏi) được đổ vào xi lanh ở độ cao 50 mm Sau đú dàn phẳng, đặt pittụng sắt vào và đưa xi lanh lờn mỏy ộp Tăng lực nộn của mỏy ộp với tốc độ từ 1 kN đến 2 kN trong một giõy Nếu dựng xi lanh đường kớnh 75 mm thỡ dừng tải trọng

ở 50 kN, với xi lanh đường kớnh 150 mm thỡ dừng tải trọng ở 200 kN.

Mẫu nộn xong đem sàng bỏ hạt lọt qua sàng tương ứng với cỡ hạt được nờu trong bảng:

Kích thư ớc hạt mm

Kích th ước mắt sàng

mm

Từ 5 đến 10 Lớn hơn 10 đến 20 Lớn hơn 20 đến 40

1,25 2,50 5,00

Độ nén dập của cốt liệu lớn (Nd), tính bằng phần trăm khối lượng, chính xác tới 1 %, theo công thức:

Mác đá dăm (MPa)

Độ nén dập trong xi lanh ở trạng thái bão hoà nước, % khối lượng

Đá trầm tích Đá phún xuất xâm nhập và đá biến

chất

Đá phún xuất phun trào

-Sỏi và sỏi dăm dùng làm cốt liệu cho bê tông các cấp phải có độ nén dập trong xi lanh phù hợp với yêu cầu trong bảng sau:

Cấp bê tông

Độ nén dập ở trạng thái bão hoà nước,% khối lượng, ≤

 Hàm lượng bùn, bụi, sét trong cốt liệu lớn tuỳ theo cấp bê tông không vượt quá giá trị quy định trong bảng:

CÊp bª t«ng Hµm lư îng bïn, bôi, sÐt, % khèi lư îng, kh«ng lín h¬n

Thước kẹp cải tiến trong thí nghiệm xác định hàm lượng hạt thoi dẹt

Hạt thoi dẹt của cốt liệu lớn là hạt có kích thước cạnh nhỏ nhất nhỏ hơn 1/3 cạnh dài.

 Độ hao mòn khi va đập của cốt liệu lớn thí nghiệm trong máy Los Angeles

Mục đích sử dụng Yêu cầu không vượt quá Tiêu chuẩn Chế tạo bê tông xi măng 50% TCVN 7570:2006

Bê tông nhựa thông thường 28%; 35%; 40% (tùy loại) TCVN 8819:2011

Bê tông nhựa độ nhám cao 20% 22TCN 345-06

Bê tông nhựa polime Lớp trên: 25%, Lớp dưới: 30% 22TCN 356-06

Đá dăm thấm nhập nhựa 25%; 30%; 35%; 40% TCVN 8809:2011

Cấp phối đá dăm loại I 35% TCVN 8859:2011

Cấp phối đá dăm loại II 40% TCVN 8859:2011

Cấp phối gia cố xi măng Lớp trên: 35%, Lớp dưới: 45% TCVN 8858:2011

Khi sử dụng cốt liệu để chế tạo BTXM, các chất kiềm trong xi măng có thể phản ứng với các hợp chất silic vô định hình trong cốt liệu gây hiện tượng tăng thể tích bên trong và có thể gây phá hoại cho BTXM Vì vậy đối với cốt liệu dùng để chế tạo BTXM cần kiểm tra khả năng phản ứng kiềm - silic.

Khả năng phản ứng kiềm - silic đối với cốt liệu được kiểm tra theo phương pháp hóa học [TCVN 7572-14:2006] và phải nằm trong vùng cốt liệu vô hại Khi khả năng phản ứng kiềm - silic của cốt liệu kiểm tra nằm trong vùng có khả năng gây hại thì cần thí nghiệm kiểm tra bổ xung bằng cách đo biến dạng thanh vữa [TCVN 7572-14:2006] để đảm bảo chắc chắn vô hại

 Đá các bô nát dùng sản xuất bột khoáng phải sạch, không lẫn các tạp chất hữu cơ, hàm lượng chung bụi bùn sét không quá 5%.

 Bột khoáng phải khô, tơi, không được vón hòn

Chỉ tiêu Quy định Phương pháp thử

1 Thành phần hạt (lượng lọt sàng qua các cỡ sàng mắt vuông), %

- 0,600 mm

- 0,300 mm

- 0,075 mm

  100 95÷100 70÷100

TCVN 7572-2: 2006

3 Chỉ số dẻo của bột khoáng nghiền từ đá các bô nát, (*) % ≤ 4,0 TCVN 4197-1995

(*) : Xác định giới hạn chảy theo phương pháp Casagrande Sử dụng phần bột khoáng lọt qua sàng lưới mắt vuông kích cỡ 0,425 mm để thử nghiệm giới hạn chảy, giới hạn dẻo.

Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho bột khoáng

Vai trò của bột khoáng trong bê tông asphalt

- Nhét đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn làm tăng độ đặc của hỗn hợp

- Làm tăng diện tích tiếp xúc, làm cho màng bitum trên mặt hạt khoáng càng mỏng và như vậy lực tương tác giữa chúng tăng lên, cường độ của bê tông asphalt tăng lên

2.2.4 Cấp phối đá dăm

a Khái niệm

Cấp phối đá dăm là hỗn hợp vật liệu đá dạng hạt, có thành phần hạt tuân thủ nguyên lý cấp phối liên tục.

b Xác định tỷ lệ phối trộn các cốt liệu theo thành phần hạt

- cốt liệu không đạt yêu cầu về thành phần hạt

- hoặc khi cần sản xuất cấp phối cốt liệu

Thường dùng các phương pháp khối lượng thể tích, phương pháp tọa độ chữ nhật và phương pháp giải tích

Phương pháp khối lượng thể tích

- Thường dùng để phối trộn hai loại cốt liệu lớn.

- Nguyên lý: Trộn 2 loại cốt liệu với các tỷ lệ khác nhau Ứng với mỗi tỷ lệ phối trộn, tính được khối lượng thể tích của hỗn hợp Vẽ biểu đồ quan hệ giữa tỷ lệ phối trộn và khối lượng thể tích, từ đó lựa chọn tỷ lệ phối trộn cho ta hỗn hợp có khối lượng thể tích lớn nhất

 Phương pháp toạ độ chữ nhật

- Thường dùng để phối hợp hai loại cốt liệu nhỏ Điều kiện để có thể phối hợp là ứng với mỗi cỡ sàng, lượng lọt sàng của hai loại cốt liệu đều không cùng ít hoặc nhiều quá so với lượng lọt sàng quy định trong thành phần hạt tiêu chuẩn

Cách phối trộn:

- Sàng xác định hàm lượng sót tích lũy trên từng cỡ sàng của 2 loại cốt liệu

- Vẽ biểu đồ hình chữ nhật Hai trục đứng thể hiện lượng sót tích lũy (Ai) của 2 loại cát, hai trục ngang thể hiện tỷ lệ

phối trộn giữa hai loại cát

- Từ cấp phối tiêu chuẩn, kẻ 2 đường thẳng tương ứng 2 giá trị lượng sót tích lũy nhỏ nhất (pi) và lớn nhất (qi) Miền

giới hạn bởi pi qi gọi là vùng quy phạm tại cỡ sàng di

Ứng với cỡ sàng di:

+ Biểu thị lượng sót tích lũy (Ai) của cát X lên cột , ta có điểm Xi

+ Biểu thị lượng sót tích lũy (Ai) của cát Y lên cột , ta có điểm Yi

+ Nối 2 điểm Xi và Yi bởi đoạn thẳng

Phần đoạn thẳng Xi Yi nằm ngoài vùng quy phạm (pi, qi) sẽ bị loại bỏ

- Tiến hành cho mọi cỡ sàng, sau đó xác định phần chung không bị loại bỏ Đó là miền phối hợp cho 2 cát

Ứng với mỗi cỡ hạt, lượng lọt sàng của hỗn hợp cốt liệu phải nằm trong một giới hạn quy định (Lid ÷Lit) Như vậy,

để đảm bảo yêu cầu thành phần hạt thì A%, B%, C%, D%, phải là nghiệm của hệ:

Kết hợp cùng với pt:

Tìm được tỷ lệ phối trộn các cốt liệu

 

Ví du: Xác định tỷ lệ phối trộn các cốt liệu sau

2.3 Vật liệu xây dựng mới từ vật liệu phế thải

Đặt vấn đề

 Ô nhiễm môi trường

 Sức khỏe con người

Nguyên nhân?

- Do con người và cách quản lý của con người

Giải pháp?

- Hạn chế sự ô nhiễm: Cắt giảm lượng khí thải, trồng cây xanh,…

- Sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường

Việt Nam:

- Chất thải từ sinh hoạt, các ngành công nghiệp, nông nghiệp…

- Trong đó, khoảng 14 chất thải rắn và lỏng hoàn toàn có thể tái sử dụng có hiệu quả trong lĩnh vựa xây dựng: Chất thải phá dỡ từ công trình xây dựng, chất thải kim loại, chất thải thủy tinh, chất thải từ các nhà máy nhiệt điện, chất thải từ các nhà máy luyện gang thép, chất thải bao bì nhựa…

Để góp phần bảo vệ môi trường sống hiện tại và cho các thế hệ tiếp theo, vấn đề nghiên cứu và sử dụng vật liệu mới thân thiện với môi trường, hạn chế tàn phá thiên nhiên là điều cấp thiết Tận dụng chất thải trong xây dựng là một giải pháp hữu hiệu để đạt được mục tiêu này.

2.3.1 Khái niệm chung và khả năng tận dụng vật liệu thải trong xây dựng

a. Khái niệm chung

Chất thải là những sản phẩm phụ hoặc sản phẩm thải được tạo ra một cách không mong muốn từ các quá trình sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, hay sinh hoạt

Chất thải khi được tận dụng vào một chu trình sản xuất hay chế tạo mới được gọi là vật liệu thải Đa số các chất thải vẫn

có thể được tận dụng lại do chúng vẫn bao hàm được các tính chất phù hợp khi có công nghệ và giải pháp sử dụng hợp lý

Chất thải dùng cho ứng dụng vật liệu được phân loại theo:

 Nguồn gốc:

- Chất thải công nghiệp

- Chất thải nông nghiệp

- Chất thải sinh hoạt

 Thành phần hóa học:

- Chất thải vô cơ

- Chất thải hữu cơ

Trạng thái chất thải:

- Chất thải rắn, lỏng hay khí

 Khả năng tái sử dụng

- Chất thải tái sử dụng trực tiếp

- Chất thải cần qua quá trình gia công, xử lý

…

b Khả năng tận dụng vật liệu thải trong xây dựng

- Hầu hết các chất thải vẫn còn khả năng tận dụng cho một vòng đời mới trong các ứng dụng xây dựng

- Khi được tận dụng, các vật liệu thải không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, giảm giá thành sản phẩm xây dựng do hạn chế được chi phí gia công vật liệu tự nhiên, mà điều quan trọng hơn là chúng có thế giúp nâng cao được chất lượng các sản phẩm xây dựng truyền thống

- Tùy theo thành phần hóa học và tính chất mà chúng có thể được tận dụng làm cốt liệu, chất làm đầy (chèn khe), chất kết dính trong các ứng dụng xây dựng

Nhóm VLT tận dụng làm cốt liệu: Vật liệu từ phá dỡ các công trình cũ; xỉ lò cao; thủy tinh thải; nhựa thải và vỏ bao bì, mặt

đường cũ; chất thải từ các mỏ khai thác cốt liệu, vỏ quả cây công nghiệp…

Nhóm vật liệu chèn khe (làm đầy) : tro nhiệt điện, tro trấu, tro đốt bùn thải đô thị, tro đốt rác thải sinh hoạt, xỉ lò cao nghiền

mịn

Nhóm phụ gia khoáng hoạt tính: Muội silic, tro nhiệt điện, tro trấu, xỉ lò cao nghiền mịn Nhóm vật liệu này thể hiện hoạt tính

phù hợp làm phụ gia khoáng hoạt tính cho bê tông xi măng và bê tông asphalt

Nhóm chất kết dính: bitum từ mặt đường cũ; dầu thực vật thải

2.3.2 Một số ví dụ tận dụng vật liệu thải thành công trong xây dựng

a Thủy tinh thải

- Thủy tinh thải là chất thải thu được từ các loại vỏ chai, lọ đựng thực phẩm, hóa chất trong sinh hoạt và công nghiệp

- Thủy tinh thải khi được sơ chế thông qua quá trình rửa để loại bỏ tạp chất và nghiền đến cỡ hạt thích hợp có thể được tận dụng làm cốt liệu cho các lớp móng đường, cho bê tông xi măng, và bê tông asphalt

- Ngoài ra, thủy tinh thải khi được nghiền mịn đễn cỡ hạt phù hợp sẽ thể hiện hoạt tính hóa học cao, và khi được kết hợp với vôi bột sống sẽ tạo thành chất kết dính vô cơ gốc CaO-SiO2 phù hợp cho xây dựng Chất kết dính hỗn hợp này sau khi được nhào trộn với cốt liệu và được dưỡng hộ ở chế độ nhiệt-ẩm thích hợp sẽ có chất lượng tốt hơn xi măng portland truyền thống

b Cao su phế thải

- Với đặc tính lý hóa đặc biệt như bao hàm tỷ lệ lớn cao su lưu hóa, đàn hồi cao, nhẹ, bền vững với môi trường, lốp thải cao

su đã được nghiên cứu để tận dụng thành công trong xây dựng

- Tại mỹ, từ những năm 1840, bột cao su đã được sử dụng để cải thiện bitum cho hỗn hợp bê tông asphalt nóng Bột cao su được nghiền mịn, trộn với chất kết dính bitum và có các phản ứng hóa học với bitum để cải thiện một số tính chất của bitum

- Lốp thải cao su còn được gia công thành các cỡ hạt phù hợp để thay thế một phần làm cốt liệu cho bê tông xi măng và bê tông asphalt

- Ngoài ra, lốp cao su phế thải còn được gia công đến kích cỡ phù hợp và sử dụng làm vật liệu đắp nền → Giảm trọng lượng bản thân nền đắp, tăng tính liên kết trong khối đất

- Tuy nhiên, cần đặc biệt lưu ý đến vấn đề sức cản lăn đối với bánh xe