Nghiên cứu ứng dụng xỉ thép nhà máy Gang thép Thái Nguyên làm cốt liệu cho bê tông nhựa trong xây dựng đường ô tô

Chính vì vậy, học viên lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng xỉ thép nhàmáy Gang thép Thái Nguyên làm cốt liệu cho bê tông nhựa trong xây dựng đường ôtô” nhằm góp phần cải thiện, nâng cao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THễNG VẬN TẢI

nguyễn thanh tùng

Nghiên cứu ứng dụng xỉ thép nhà máy Gang thép Thái Nguyên làm cốt liệu cho bê tông nhựa

trong xây dựng đờng ô tô

CHUYấN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG ễTễ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

LỜI CẢM ƠN

Bê tông nhựa ngày càng khẳng định vai trò quan trọng và là vật liệu chính đểxây dựng đường ô tô và sân bay Tuy nhiên, vật liệu để chế tạo bê tông nhựa phầnlớn đều được khai thác từ tự nhiên, và nguồn vật liệu này là có hạn Trong khi đó rấtnhiều chất thải, sản phẩm phụ của các ngành công nghiệp khác cho thấy tiềm năng

to lớn có thể trở thành những vật liệu mới thay thế vật liệu truyền thống Việc tìmhiểu, nghiên cứu nguồn vật liệu mới là rất cần thiết, không những góp phần giảmlượng tiêu thụ tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường mà còn có thể cải thiện,nâng cao các đặc tính của bê tông nhựa

Để hoàn thành luận văn này, em muốn nói lời cảm ơn sâu sắc đối với TrườngĐại học Giao thông Vận tải, khoa Đào tạo sau Đại học, bộ môn Đường bộ và xinđặc biệt cảm ơn PGS.TS Lã Văn Chăm đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo trong suốtquá trình học tập và thực hiện luận văn Em cũng chân thành cảm ơn lãnh đạoTrường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho

em trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn; các thầy cô giáo và bạn bèđồng nghiệp đã đóng góp những ý kiến và cung cấp nhiều tài liệu quý báu

Xin chân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 3 năm 2017

Tác giảNguyễn Thanh Tùng

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lâp – Tự do – Hạnh phúc

Hà Nội, ngày 10 tháng 3 năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quảnêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trìnhnào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Tùng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ vi

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHỰA TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG 4

1.1 Kết cấu mặt đường mềm 4

1.1.1 Khái niệm kết cấu mặt đường mềm 4

1.1.2 Phân loại kết cấu mặt đường 7

1.1.3 Yêu cầu thiết kế kết cấu mặt đường mềm 8

1.1.4 Các loại vật liệu làm lớp mặt của kết cấu mặt đường mềm 10

1.2 Bê tông nhựa trong xây dựng đường ô tô 11

1.2.1 Mặt đường bê tông nhựa và các yêu cầu kỹ thuật 11

1.2.2 Hỗn hợp bê tông nhựa và các tính chất của hỗn hợp bê tông nhựa 14

CHƯƠNG 2: XỈ THÉP VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG XỈ THÉP TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG 25

2.1 Tổng quan về nghiên cứu sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường ô tô trên thế giới 25

2.1.1 Các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép 25

2.1.2 Thành phần hóa học của xỉ thép 26

2.1.3 Các nghiên cứu ứng dụng xỉ thép trong xây dựng giao thông trên thế giới 27

2.2 Tổng quan về sử dụng xỉ thép trong xây dựng giao thông ở Việt Nam 38

2.2.1 Tình hình sản xuất thép ở Việt Nam 38

2.2.2 Quá trình sản xuất thép ở Việt Nam 39

2.2.3 Xỉ thép và ứng dụng xỉ thép trong xây dựng giao thông ở Việt Nam 42

2.3 Kết luận chương 2 48

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG XỈ THÉP NHÀ MÁY GANG THÉP THÁI NGUYÊN LÀM CỐT LIỆU CHO BÊ TÔNG

NHỰA NÓNG 49

3.1 Nghiên cứu tính chất của xỉ thép để sản xuất bê tông nhựa nóng 49

3.1.1 Nghiên cứu các tính chất cơ lý của xỉ thép nhà máy Gang thép Thái Nguyên 49 3.1.2 Đánh giá các tính chất cơ lý của xỉ thép 61

3.2 Nghiên cứu thực nghiệm các tính chất của bê tông nhựa xỉ thép 62

3.2.1 Kế hoạch nghiên cứu trong phòng các tính chất của bê tông nhựa xỉ thép 62

3.2.2 Nghiên cứu các tính chất cơ lý của BTN cốt liệu xỉ thép 64

3.2.3 Đặc trưng biến dạng vĩnh cửu của bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép 77

3.3 Kết luận chương 3 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 :Thành phần hóa học của xỉ thép ở một số nước trên thế giới 27

Bảng 2.2: Tình hình sản xuất và bán hàng các sản phẩm thép trong nước tính tới tháng 10 năm 2016 38

Bảng 2.3 : Các vấn đề về môi trường trong sản xuất thép lò điện hồ quang 41

Bảng 2.4: Loại và lượng chất thải rắn trong sản xuất thép lò điện 42

Bảng 2.5: Thành phần hóa học của xỉ thép Việt Nam 43

Bảng 3.1: Tổng hợp số mẫu thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý 49

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép 59

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm 59

Bảng 3.4 Đánh giá mức độ phù hợp của xỉ thép làm cốt liệu cho bê tông nhựa 62

Bảng 3.5 Tiêu chuẩn thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu 65

Bảng 3.6 Tiêu chuẩn thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đường 66

Bảng 3.7: Kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép và đá dăm 66

Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm nhựa đường 60/70 ADCo 67

Bảng 3.9 Thành phần hạt của cấp phối thiết kế BTNC 12,5 68

Bảng 3.10: Quy định nhiệt độ trong quá trình đúc mẫu 70

Bảng 3.11 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của BTN xỉ thép (XT) 72

Bảng 3.12 Chỉ tiêu kỹ thuật của BTN xỉ thép (XT) 74

Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của BTN đá dăm (ĐD) 74

Bảng 3.14 Kết quả thí nghiệm BTN cốt liệu đá dăm với hàm lượng nhựa tối ưu 76

Bảng 3.15 Kết quả thí nghiệm vệt hằn bánh xe 81

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Sơ đồ phân bố ứng suất trong kết cấu áo đường theo chiều sâu 4

Hình 1.2 Cấu tạo các tầng lớp trong kết cấu mặt đường 5

Hình 1.3 Các loại lỗ rỗng trong bê tông nhựa 18

Hình 2.1 Cường độ chịu kéo gián tiếp bê tông nhựa xỉ thép ở Canada 31

Hình 2.2 Module đàn hồi của bê tông nhựa xỉ thép ở Canada 31

Hình 2.3 Độ ổn định Marshall của bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép ở Sudan 33

Hình 2.4 Độ rỗng cốt liệu ứng của bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép ở Sudan 33

Hình 2.5 Độ dẻo Marshall của bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép ở Sudan 34

Hình 2.6 Độ rỗng dư của bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép ở Sudan 34

Hình 2.7 Kết quả thí nghiệm vệt hằn bánh xe bê tông nhựa xỉ thép ở Croatia 35

Hình 2.8 Thí nghiệm ép chẻ và thí nghiệm mudule đàn hồi sử dụng tải trọng tĩnh của bê tông nhựa xỉ thép tại Thổ Nhĩ Kỳ 35

Hình 2.9 Kết quả thí nghiệm ép chẻ bê tông nhựa xỉ thép tại Thổ Nhĩ Kỳ 36

Hình 2.10 Kết quả thí nghiệm module đàn hồi tĩnh của bê tông nhựa xỉ thép tại Thổ Nhĩ Kỳ 36

Hình 2.11 Thi công thử mặt đường bê tông nhựa xỉ thép ở Croatia 37

Hình 2.12 Độ lún vệt bánh xe của bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép tại Đài Loan 37

Hình 2.13 Quy trình sản xuất thép lò điện hồ quang 40

Hình 2.14 Nguyên nhiên liệu sử dụng và các phát thải môi trường của ngành sản xuất thép lò điện hồ quang 41

Hình 2.15 Thi công thử nghiệm lớp móng đường sử dụng xỉ thép tại Vũng Tàu .48

Hình 3.1 Lấy xỉ thép tại nhà máy Gang thép Thái Nguyên 56

Hình 3.2 Thí nghiệm xác định độ hao mòn LosAngerles (LA) 57

Hình 3.3 Thí nghiệm xác định độ nén dập trong xi lanh 57

Hình 3.4 Thí nghiệm xác định khối lượng riêng, khối lượng thể tích, độ hút nước 58 Hình 3.5 Thí nghiệm xác định độ dính bám với nhựa của xỉ thép 58

Hình 3.6 So sánh chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép và đá dăm 60

Hình 3.7 So sánh chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép và đá dăm (tiếp theo) 60

Hình 3.8 Cấp phối BTNC 12,5 xỉ thép (XT) 69

Hình 3.9 Cấp phối BTCN 12,5 đá dăm (ĐD) 69

Hình 3.10 Tủ sấy và máy trộn bê tông nhựa 70

Hình 3.11 Thiết bị đầm và chế tạo mẫu Marshall 71

Hình 3.12 Mối liên hệ giữa hàm lượng nhựa và các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa xỉ thép 73

Hình 3.13 Mối liên hệ giữa hàm lượng nhựa và các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa xỉ thép (tiếp theo) 73

Hình 3.14 Mối liên hệ giữa hàm lượng nhựa và các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa cốt liệu đá dăm (ĐD) 75

Hình 3.15 Thí nghiệm đặc trưng biến dạng vĩnh cửu ngoài hiện trường 79

Hình 3.16 Thiết bị đầm lăn sử dụng bánh thép 80

Hình 3.17 Thí nghiệm vệt hằn bánh xe bằng thiết bị Wheel Tracking 81

Hình 3.18: Biểu đồ độ lún vệt bánh xe của BTNC 12,5 xỉ thép (XT) 82

Hình 3.19 Biểu đồ độ lún vệt bánh xe của BTNC 12,5 cốt liệu đá dăm (ĐD) 82

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Giao thông Vận tải là ngành nắm giữ vai trò then chốt, là ngành luôn “đi

trước mở đường” cho sự phát triển kinh tế xã hội của đất nước Giao thông vận tải

là một ngành sản xuất vật chất đặc biệt, nó cũng trực tiếp tạo ra giá trị và giá trị giatăng trong quá trình thực hiện chức năng của mình Giữ cho huyết mạch giao thôngcủa đất nước luôn thông suốt là nhiệm vụ của ngành Trong mọi nền xã hội thìngành giao thông vận tải luôn có vai trò đặc biệt quan trọng

Ngày 01 tháng 03 năm 2016, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định

số 326/QĐ-TTg về việc phê duyệt Quy hoạch phát triển mạng đường bộ cao tốcViệt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 Quy hoạch được xây dựngtrên cơ sở dự báo nhu cầu vận tải, định hướng phát triển kinh tế - xã hội đến năm

2030 của đất nước; định hướng phát triển kinh tế của 4 vùng kinh tế trọng điểm;chiến lược phát triển giao thông vận tải đến năm 2020 và định hướng đến năm

2030, quy hoạch xác lập mạng đường bộ cao tốc Việt Nam gồm 21 tuyến với tổngchiều dài 6.411 km, gồm Tuyến cao tốc Bắc – Nam, Hệ thống đường cao tốc khuvực phía Bắc, miền Trung và Tây Nguyên, khu vực phía Nam, Hệ thống đườngvành đai cao tốc tại thành phố Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh Cho tới thờiđiểm này đã có nhiều tuyến đường cao tốc được hoàn thành như cao tốc Hà Nội –Hải Phòng, cao tốc Nội Bài – Lào Cai, cao tốc Hà Nội – Thái Nguyên, cao tốc CầuGiẽ - Ninh Bình, Cao tốc Tp Hồ Chí Minh – Trung Lương, Cao tốc Tp Hồ ChíMinh – Long Thành – Dầu giây… Các tuyến đường giao thông góp phần tham giavào việc cung ứng vật tư kỹ thuật, nguyên liệu, năng lượng cho các cơ sở sản xuất

và đưa sản phẩm đến thị trường tiêu thụ, giúp cho quá trình sản suất xã hội diễn raliên tục và bình thường Giao thông vận tải phục vụ nhu cầu đi lại của nhân dân,giúp cho các hoạt động sinh hoạt được thuận tiện

Hầu hết kết cấu mặt đường của các tuyến đường cấp cao đều sử dụng mặtđường bê tông nhựa Mặt đường bê tông nhựa có những ưu điểm nổi bật như: chịutải trọng động tốt, ít hao mòn, ít sinh bụi, bằng phẳng, xe cộ chạy tốc độ cao rất êmthuận, ít gây tiếng ồn, có thể cơ giới hóa toàn bộ khâu thi công, dễ sửa chữa, thờigian thi công ngắn và thông xe sớm sau khi thi công, dễ nâng cấp, thời gian sử dụng

tương đối dài…Sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của công nghiệp hóa dầu càng tạođiều kiện cho mặt đường bê tông nhựa có cơ hội phát triển vượt bậc.

Với quy hoạch mạng lưới đường giao thông như vậy, có thể nhận thấy nhucầu về bê tông nhựa cho ngành giao thông là vô cùng lớn Tuy nhiên nguồn vật liệulấy từ tự nhiên chỉ có hạn Điều này đặt ra một thách thức cho ngành là phải tíchcực đẩy mạnh nghiên cứu, áp dụng những công nghệ mới, những dạng vật liệu mớitrong xây dựng đường Điều này không những góp phần giảm tiêu thụ lượng tàinguyên thiên nhiên mà còn có khả năng cải thiện, nâng cao chất lượng đường giaothông

Thái Nguyên là một thành phố công nghiệp, với nhà máy Gang thép TháiNguyên hàng năm sản xuất ra hàng triệu tấn thép, song song với đó lượng xỉ thépthải ra là vô cùng lớn Lượng vật liệu này là vật liệu dạng rắn, chiếm không gian rấtlớn mà ít được tận dụng lại Xỉ thép có khối lượng thể tích lớn, lại có độ cứng caonên khả năng phù hợp làm cốt liệu cho các loại bê tông chịu mài mòn và có độnhám cao Nếu có thể sử dụng xỉ thép thay thế một phần hoặc toàn bộ vai trò của đádăm trong chế tạo hỗn hợp bê tông nhựa nóng thì vừa góp phần giảm lượng chấtthải ra môi trường, vừa giảm lượng tiêu thụ tài nguyên thiên nhiên, cũng như có thểcải thiện các đặc tính của bê tông nhựa Trên thế giới đã có rất nhiều nước có cáccông trình nghiên cứu và ứng dụng xỉ thép trong xây dựng đường ô tô như Mỹ,Croatia, Australia, Ấn Độ, Đài Loan, Jordan Tại Việt Nam các nhà khoa học cũng

đã có những nghiên cứu về việc ứng dụng xỉ thép cho xây dựng giao thông như sửdụng xỉ thép làm cốt liệu sản xuất bê tông nhựa (tác giả Nguyễn Văn Du), dùng xỉthép tái chế thay thế lớp móng cấp phối đá dăm đường ô tô (tác giả Nguyễn QuốcHiển) Các nghiên cứu đều cho kết quả rất khả quan về tính ứng dụng của xỉ thépcho ngành giao thông

Chính vì vậy, học viên lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng xỉ thép nhàmáy Gang thép Thái Nguyên làm cốt liệu cho bê tông nhựa trong xây dựng đường ôtô” nhằm góp phần cải thiện, nâng cao chất lượng mặt đường bê tông nhựa, vừa tậndụng được vật liệu tại địa phương

2 Đối tượng nghiên cứu

Luận văn đi sâu nghiên cứu các đặc tính xỉ thép và các đặc tính của hỗn hợp

bê tông nhựa nóng sử dụng xỉ thép của Nhà máy Gang thép Thái Nguyên làm cốtliệu.

3 Phạm vi nghiên cứu

- Đánh giá các tính chất của xỉ thép phù hợp để làm cốt liệu cho bê tôngnhựa

- Nghiên cứu khả năng cải thiện các đặc tính của bê tông nhựa khi sử dụng

xỉ thép của nhà máy Gang thép Thái Nguyên làm cốt liệu

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Tổng quan về bê tông nhựa

- Xỉ thép và tình hình sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường ô tô

- Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng xỉ thép nhà máy gang thép Thái Nguyênlàm cốt liệu cho bê tông nhựa nóng

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.Thu thập các tài liệu liên quan đến thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa nóng,các đặc tính của xỉ thép phù hợp để làm cốt liệu cho bê tông nhựa, thiết kế thànhphần hỗn hợp bê tông nhựa nóng thông thường và hỗn hợp có sử dụng xỉ thép làmcốt liệu, tiến hành các thí nghiệm với hai loại bê tông nhựa kể trên, đưa ra các sosánh, nhận xét, đánh giá và kiến nghị

6 Kết cấu của luận văn:

Ngoài Phần mở đầu, Kết luận và kiến nghị, Tài liệu tham khảo, luận văn bao gồm ba chương sau:

Chương 1: Tổng quan về bê tông nhựa trong xây dựng đường

Chương 2: Xỉ thép và tình hình sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng xỉ thép nhà máy gang thép Thái Nguyên làm cốt liệu cho bê tông nhựa nóng.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHỰA TRONG XÂY DỰNG

ĐƯỜNG

1.1 Kết cấu mặt đường mềm

1.1.1 Khái niệm kết cấu mặt đường mềm

Kết cấu mặt đường bao gồm một số tầng - lớp vật liệu tạo nên một hệ kết cấu

đủ cường độ có thể chịu tải trọng bánh xe và tác dụng trực tiếp của các yếu tố tự nhiên: mưa, nhiệt độ, độ ẩm

Khi xe chạy lực tác dụng lên kết cấu mặt đường gồm có hai thành phần: lực thẳng đứng do tải trọng xe chạy, lực nằm ngang do sức kéo, lực hãm, lực ngang khi

xe chạy trong đường cong Lực thẳng đứng gây ra ứng suất σ z trong kết cấu mặt đường Trên bề mặt σ z= p (p là áp lực thẳng đứng do tải trọng bánh xe truyền xuốngqua diện tích vệt tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường) Lực thẳng đứng truyền xuống khá sâu, thường xuống đến một phần nền đất, nên kết cấu mặt đường sẽ bao gồm cả một phần của đất nền có tham gia chịu tải trọng bánh xe Kết cấu mặt đườngnhư thế còn được gọi là hệ kết cấu nền – mặt đường Lực nằm ngang do sức kéo, lực hãm và lực ngang khi xe chạy trong đường cong, gây ra trạng thái ứng suất σ x

trong kết cấu mặt đường

Hình 1.1 Sơ đồ phân bố ứng suất trong kết cấu áo đường theo chiều sâu

Trị số ứng suất ngang thay đổi phụ thuộc vào trạng thái của xe chạy trênđường Với tốc độ đều σ x=(0,2 ÷ 0,3) σz, khi thay đổi tốc độ σ x=(0,4 ÷0,6 ) σz và khikhởi động hoặc hãm phanh σ x=(0,75 ÷ 0,85) σz Lực ngang chủ yếu tác dụng trên gầnmặt đường mà không truyền sâu xuống các lớp dưới nên thường chỉ gây ứng suất ởcác lớp trên cùng của các lớp kết cấu, làm cho vật liệu tại đó bị xô trượt, bào mòndẫn đến phá hoại bề mặt

Như vậy, về mặt chịu lực kết cấu mặt đường cần có nhiều tầng lớp vật liệukhác nhau có chức năng khác nhau để đáp ứng yêu cầu chịu lực phù hợp với trạngthái ứng suất Các lớp ở trên cần phải là các lớp vật liệu tốt, có cường độ cao đểchịu tác dụng trực tiếp của tải trọng và phân bố tải trọng rộng, có khả năng chốngcắt trượt và chịu mài mòn tốt Các lớp dưới có thể có cường độ thấp hơn, và có thể

là vật liệu rời rạc

Hình 1.2 Cấu tạo các tầng lớp trong kết cấu mặt đường

Tầng mặt chịu tác dụng trực tiếp của tải trọng xe chạy (lực thẳng đứng và lựcnằm ngang) và tác dụng của các nhân tố thiên nhiên (mưa, gió, thay đổi nhiệt độ, )

Để chịu được các tác dụng đó, tầng mặt đòi hỏi phải được làm bằng các vật liệu cócường độ và sức liên kết tốt, thường là bằng vật liệu có sử dụng gia cố chất kết dínhhữu cơ (là nhựa đường), hoặc chất kết dính vô cơ (vôi, xi măng ) Tầng mặt phải

đủ độ bền trong suốt thời kỳ sử dụng, phải bằng phẳng, có đủ độ nhám, chống thấmnước, chống nứt, có khả năng chịu mài mòn tốt, không bụi và ít bong bật Tầng mặt

có thể nhiều hơn một lớp, trong đó có lớp hao mòn (lớp bảo vệ) để tạo độ bằngphẳng, hạn chế lực xung kích, lực xô trượt và mài mòn trực tiếp của tải trọng bánh

xe và các ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên – khí hậu Tầng mặt có thể có một hoặcnhiều lớp: lớp hao mòn – bảo vệ, lớp mặt trên, lớp mặt dưới

Tầng móng là tầng chịu lực chính, tiếp nhận tải trọng thẳng đứng và phân bốtải trọng để khi truyền xuống nền đất thì ứng suất đã được giảm đến một mức độnhất định mà không tạo nên biến dạng thẳng đứng hoặc biến dạng trượt lớn quá khảnăng chịu lực của nền đất Vật liệu tầng móng cần phải có độ cứng nhất định, tùythuộc vào điều kiện chịu tải trọng, như cấp đường (lưu lượng và tải trọng trục xe),điều kiện tự nhiên (khí hậu, nhiệt độ, độ ẩm ) và vị trí của lớp vật liệu trong hệ kếtcấu nền mặt đường Tầng móng có thể có một hoặc nhiều lớp vật liệu có cường độgiảm dần theo chiều sâu, phù hợp với biểu đồ phân bố ứng suất do tải trọng bánh xetruyền xuống nền đường, để tận dụng vật liệu tại địa phương, giảm giá thành xâydựng

Lớp đáy áo đường có các chức năng sau:

- Tạo lòng đường có khả năng chịu lực tốt và đồng nhất

- Ngăn chặn ẩm thấm xuống nền đất và tự dưới nền lên các lớp móng mặtđường

- Tạo “hiệu ứng đe” để bảo đảm chất lượng đầm nén các lớp móng phía trên

- Tạo điều kiện cho xe, máy đi lại trong quá trình thi công mặt đường khônggây hư hại nền đất phía dưới (ngay cả khi thời tiết xấu)

Nền đất: Một phần của nền đất phía trên được tính là một bộ phận của kếtcấu mặt đường Các biện pháp nhằm tăng cường độ và bảo đảm ổn định cường độcủa nền đất, là giải pháp thiết kế tốt để đảm bảo kết cấu mặt đường có cường độđảm bảo yêu cầu và ổn định trong thời gian khai thác

Ngoài yêu cầu về chịu lực thì áo đường mềm có độ bằng phẳng, có độ nhám,

có ít bụi hay không là tùy thuộc cấu tạo tầng mặt gồm các lớp nói trên Cho nên, đốivới việc thiết kế tầng mặt mà nói thì không phải chỉ là vấn đề bề dày (mỏng haydày) mà cái chính còn là vấn đề cấu tạo, vấn đề chọn vật liệu thích hợp và cả vấn đề

dự kiến biện pháp thi công và duy tu, bảo dưỡng sau này Rõ ràng, chất lượng sửdụng của áo đường phụ thuộc nhiều vào chất lượng tầng mặt, trong đó sự phá hoại

bề mặt thường xuyên phải cố gắng chỉ để xảy ra hạn chế ở lớp hao mòn và lớp bảo

vệ (2 lớp này trong quá trình khai thác đường được kịp thời khôi phục ở các kỳ sửachữa vừa và suy tu nhằm kéo dài thời gian sử dụng của lớp mặt chủ yếu)

1.1.2 Phân loại kết cấu mặt đường

a Phân loại kết cấu mặt đường theo loại vật liệu tầng mặt

Theo tiêu chí này, có thể chia kết cấu mặt đường thành các loại: mặt đườngcấp cao A1, mặt đường cấp cao A2, mặt đường cấp thấp B1, mặt đường cấp thấp B2

Mặt đường cấp cao A1 là loại tầng mặt có lớp mặt trên bằng bê tông nhựachặt loại I trộn nóng (theo “Quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đường

bê tông nhựa”, 22TCN 249)

Mặt đường cấp cao A2 là loại tầng mặt có lớp mặt bằng bê tông nhựa chặtloại II trộn nóng (theo “Quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đường bêtông nhựa”, 22TCN 249) hoặc bê tông nhựa nguội trên có láng nhựa, đá dăm đentrên có láng nhựa hoặc bằng lớp thấm nhập nhựa (theo “Tiêu chuẩn kỹ thuật thicông và nghiệm thu mặt đường đá dăm thấm nhập nhựa”, 22TCN270) hay lớp lángnhựa (theo “Tiêu chuẩn kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đường láng nhựa”,22TCN 271)

Mặt đường cấp thấp B1 là loại tầng mặt có lớp mặt bằng cấp phối đá dăm, đádăm nước, cấp phối tự nhiên với điều kiện là phía trên chúng phải có lớp bảo vệ rờirạc được thường xuyên duy tu bảo dưỡng (thường xuyên rải cát bù và quét đều phủkín bề mặt lớp)

Mặt đường cấp thấp B2 là loại tầng mặt có lớp mặt bằng đất cải thiện haybằng đất, đá tại chỗ gia cố hoặc phế thải công nghiệp gia cố chất liên kết vô cơ vớiđiều kiện là phía trên chúng phải có lớp hao mòn và lớp bảo vệ được duy tu bảodưỡng thường xuyên

b Phân loại theo vật liệu và cấu trúc vật liệu

- Các tầng mặt đường làm bằng vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theonguyên lý đá chèn đá hoặc nguyên lý cấp phối: mặt đường đá dăm nước (hay đádăm macadam); mặt đường cấp phối hỗn hợp đá, sỏi, cuội cát, đất từ cỡ lớn đến cỡnhỏ trộn với nhau theo tỷ lệ nhất định và được lu lèn chặt

- Các tầng mặt đường làm bằng vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theo

nguyên lý đá chèn đá hoặc nguyên lý cấp phối nhưng có trộn thêm chất dính kết vôcơ: mặt đường đá gia cố vôi, gia cố xi măng

- Các tầng mặt đường làm bằng vật liệu đất đá thiên nhiên có cấu trúc theonguyên lý đá chèn đá hoặc nguyên lý cấp phối nhưng có trộn thêm chất dính kếthữu cơ: theo phương pháp tưới có mặt đường thấm nhập nhựa, mặt đường lángnhựa; theo phương pháp trộn có đất gia cố nhựa, đá dăm đen, hỗn hợp đá trộn nhựa

và bê tông nhựa

c Phân loại theo đặc điểm tính toàn cường độ mặt đường

- Mặt đường cứng (mặt đường bê tông xi măng): là kết cấu có độ cứng rấtlớn, cường độ chống biến dạng (module đàn hồi hoặc module biến dạng) cũng caohơn hẳn so với nền đất Mặt đường bê tông xi măng làm việc theo nguyên lý tấmtrên nền đàn hồi, có thể phân bố áp lực của tải trọng bánh xe xuống nền đất trên mộtdiện tích rộng làm cho nền đất phía dưới tham gia chịu tải trọng ít hơn so với kếtcấu mặt đường mềm

- Mặt đường mềm: là kết cấu với các tầng lớp đều có độ cứng nhỏ hơn nhiều

so với bê tông xi măng Dưới tác dụng của tải trọng bánh xe các lớp kết cấu chịunén và chịu cắt trượt là chủ yếu Cường độ và khả năng chống biến dạng của chúngchịu ảnh hưởng nhiều của nhiệt độ (với bê tông nhựa và các lớp sử dụng vật liệu gia

cố là nhựa đường) và độ ẩm (với các vật liệu hạt và cấp phối tự nhiên không gia cố).Trong kết cấu mặt đường mềm nền đất là thành phần tham gia chịu tải trọng đáng

kể Các loại mặt đường bằng các vật liệu không phải là bê tông xi măng đều đượccoi là mặt đường mềm

1.1.3 Yêu cầu thiết kế kết cấu mặt đường mềm

Mặt đường mềm phải được thiết kế để đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau đây:

- Đủ cường độ, bao gồm cường độ chung của kết cấu tổng thể nền – mặtđường và cường độ riêng của mỗi lớp kết cấu:

Trong thiết kế kết cấu mặt đường sử dụng lý thuyết đàn hồi (tiêu chuẩn ViệtNam hiện hành 22TCN 211: 2006), cường độ chung của kết cấu tổng thể nền – mặtđường được thể hiện qua cường độ chống lại biến dạng võng của kết cấu mặt đườngtại tâm của vòng tròn tải trọng tương đương tải trọng bánh xe Cường độ riêng củacác lớp vật liệu là cường độ chịu kéo khi uốn (đối với vật liệu liền khối), và cường

độ chống cắt trượt (đối với lớp vật liệu yếu, rời rạc và kém dính) Để đảm bảo yêucầu này, cần phối hợp một cách hợp lý giữa việc lựa chọn và bố trí các lớp kết cấumặt đường, lựa chọn giải pháp cải thiện nền đường phù hợp với điều kiện tải trọnggiao thông thực tế, phân bố trạng thái ứng suất do tải trọng giao thông trong kết cấunền – mặt đường và điều kiện tự nhiên trong khu vực xây dựng đường Tiêu chuẩnViệt Nam hiện hành đã đưa ra các khuyến nghị cần thiết cho việc lựa chọn bề dàytối thiểu của tầng mặt của mặt đường cấp cao A1 phụ thuộc vào lưu lượng tích lũytải trọng trục tiêu chuẩn tính toán trong thời kỳ thiết kế Ở một số các tiêu chuẩn củanước ngoài, người ta còn có các chỉ dẫn chi tiết đối với yêu cầu về module đàn hồicủa đất nền và module đàn hồi chung trên bề mặt các tầng móng phụ thuộc vào lưulượng tải trọng trục tiêu chuẩn tính toán trong thời kỳ thiết kế.

- Ổn định cường độ của kết cấu tổng thể nền – mặt đường và của mỗi lớp kếtcấu trong thời gian khai thác:

Trong thiết kế kết cấu mặt đường, yêu cầu này có thể được thực hiện bằngviệc lựa chọn loại vật liệu và bố trí các lớp vật liệu trong kết cấu mặt đường hợp lý,đảm bảo phù hợp giữa đặc tính sử dụng của vật liệu và đặc điểm của điều kiện thờitiết và điều kiện tải trọng tác dụng

- Độ bằng phẳng:

Mặt đường phải đảm bảo độ bằng phẳng nhất định để giảm sức cản lăn, giảmxóc khi xe chạy nhằm nâng cao tốc độ xe chạy, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảmhao mòn xe và do đó làm giảm giá thành vận doanh Độ bằng phẳng mặt đường cómối quan hệ chặt chẽ với cường độ chung của cả kết cấu nền – mặt đường, vớicường độ cũng như chất lượng vật liệu lớp bề mặt Các hiện tượng như lún vệt bánh

xe, biến dạng lồi lõm, bong bật, ổ gà làm giảm độ bằng phẳng của mặt đường đều

là biểu hiện của sự suy giảm cường độ của kết cấu mặt đường và độ bền của cấutrúc lớp bề mặt Chọn kết cấu tầng mặt thích hợp, tính toán để đảm bảo kết cấu nền– mặt đường đủ cường độ và chú ý đến các biện pháp kỹ thuật khi thi công là cácbước thực hiện để đảm bảo độ bằng phẳng mặt đường thiết kế trong thời gian khaithác

- Độ nhám:

Bề mặt đường phải có đủ độ nhám nhất định để nâng cao hệ số bám giữa

bánh xe với mặt đường, tạo điều kiện tố cho xe chạy an toàn với tốc độ cao và trongtrường hợp cần thiết có thể dừng xe nhanh chóng Chọn kết cấu tầng mặt thích hợp

là giải pháp đảm bảo độ nhám cần thiết của mặt đường Yêu cầu về độ nhám đặcbiệt cần thiết đối với giao thông hiện đại, khi tốc độ xe chạy cao Có nhiều vật liệucải tiến được nghiên cứu để sử dụng làm lớp mặt tạo nhám cho kết cấu mặt đường

- Mặt đường phải có sức chịu bào mòn tốt và sản sinh ra ít bụi:

Bụi sẽ làm giảm tầm nhìn, gây tác dụng xấu cho hành khách, hàng hóa vàgây ô nhiễm môi trường Trong thiết kế kết cấu mặt đường, việc chọn vật liệu tầngmặt là vật liệu gia cố nhựa đường là giải pháp tăng sức chịu bào mòn của mặtđường và hạn chế sinh bụi

1.1.4 Các loại vật liệu làm lớp mặt của kết cấu mặt đường mềm

Các loại vật liệu lớp mặt của kết cấu mặt đường mềm thông dụng, có sửdụng chất dính kết nhựa đường, bao gồm các loại chính sau:

- Nhóm vật liệu xử lý bề mặt (không làm tăng cường độ của kết cấu mặtđường): Các biện pháp xử lý mặt đường như láng bịt mặt đường (For Seal, SlurrySeal), láng mặt đường (Sand Seal Coat, Single Bitumen Seal Coat, Double BitumenSeal Coat, Three-time Bitumen Seal Coat), đá dăm thấm nhập nhựa là một sốphương pháp thường dùng trong bảo dưỡng, sửa chữa mặt đường nhựa, dùng làmlớp bề mặt hao mòn, bảo vệ của mặt đường mềm trong các giai đoạn quá độ (trongthời kỳ thi công, trong phân kỳ đầu tư) và với mặt đường cấp thấp

- Lớp kết cấu mặt đường sử dụng chất dính kết nhựa đường (lớp tham giavào cường độ chịu lực của kết cấu): Các lớp vật liệu có sử dụng chất dính kết nhựađường để tạo thành lớp vật liệu tham gia vào cường độ chịu lực của kết cấu mặtđường có thể bao gồm:

+ Đá dăm láng nhựa: bao gồm lớp cơ bản được tính vào thành phần chịu lựccủa kết cấu mặt đường là đá dăm tiêu chuẩn (đá dăm đồng kích cỡ) được bù phụbằng các hạt đồng đều có kích cỡ nhỏ hơn cho kín bề mặt đường, hoặc cấp phối đádăm (hỗn hợp đá dăm nhiều kích cỡ có thành phần hạt thỏa mãn tiêu chuẩn nhấtđịnh), được xử lý bề mặt bằng các phương pháp như trình bày ở trên

+ Đá dăm thấm nhập nhựa: là loại mặt đường theo công nghệ cũ, hiện nayhầu như không còn sử dụng Bao gồm lớp cơ bản là đá dăm tiêu chuẩn, sau đó tiếp

tục rải đá đồng kích cỡ 3 lần phối hợp với rải nhựa 2 lần.

+ Hỗn hợp cấp phối đá dăm trộn nhựa: là hỗn hợp cốt liệu hạt có thành phần

cỡ hạt theo tiêu chuẩn, hàm lượng lọt sàng 0,075 mm từ 0% - 7 % đối với hỗn hợptrộn tại hiện trường và từ 3% - 5% với hỗn hợp trộn tại trạm trộn Sự khác nhau vềhàm lượng hạt mịn là yếu tố quyết định trong lựa chọn loại nhựa, hàm lượng nhựađường sử dụng và phương pháp thi công Có hai loại cấp phối đá dăm trộn nhựa phụthuộc vào phương pháp thi công trộn tại chỗ và trộn trong trạm trộn

+ Bê tông nhựa: bao gồm cốt liệu thô (đá dăm), cốt liệu mịn (cát), bột đá vànhựa đường được trộn với phương pháp thích hợp phụ thuộc biện pháp thi công tạonên một hỗn hợp vật liệu có chất lượng tốt, sử dụng cho mặt đường có lưu lượng vàtải trọng trục xe lớn Bê tông nhựa thông thường là loại có cấp phối cốt liệu chặt và

sử dụng nhựa đường đặc, với hàm lượng nhựa thay đổi từ 4% đến 9% theo thànhphần tổng hỗn hợp tùy thuộc vào loại cốt liệu và cấp phối cốt liệu

1.2 Bê tông nhựa trong xây dựng đường ô tô

1.2.1 Mặt đường bê tông nhựa và các yêu cầu kỹ thuật

Mặt đường bê tông nhựa là lớp một lớp kết cấu chặt, được tạo thành sau khitrộn đều bột khoáng, cốt liệu có cấp phối tốt với nhựa đường và rải rồi lu lèn

Do cường độ bản thân của bê tông nhựa cao, nếu lớp móng tốt, kết cấu mặtđường hợp lý thì có thể chịu được lượng giao thông rất lớn; do độ rỗng nhỏ, ít chịutác dụng xâm nhập của nước cho nên tuổi thọ dài, thường đến 15 năm

Mặt đường nhựa phải có các tính năng kỹ thuật tốt: đủ năng lực chống biếndạng trong những ngày nóng mùa hè, đủ khả năng chịu kéo trong những ngày nhiệt

độ thấp mùa đông, chịu được tác dụng trùng phục, lâu hóa già và không bị trơntrượt Phải căn cứ vào các yêu cầu này để thiết kế hỗn hợp

nhựa ở nhiệt độ cao không đủ thì mặt đường có thể phát sinh biến dạng cắt và biếndạng tích lũy, đặc trưng bằng việc xuất hiện các chỗ nhựa bị dồn đống, các vệt lúnbánh xe tại các chỗ đỗ xe, trạm dừng xe, các ngã ba ngã tư, các đoạn đường xethường xuyên thay đổi tốc độ.

Đối với yêu cầu ổn định ở nhiệt độ cao của hỗn hợp, có thể căn cứ vào quan

hệ giữa năng lực chịu tải của lớp mặt và cường độ kháng cắt của vật liệu, dùng cáctrị số C và φ làm chỉ tiêu đánh giá Các trị số này của vật liệu hỗn hợp được xácđịnh từ thí nghiệm nén ba trục

Hiện nay nhiều nước trên thế giới sử dụng phương pháp thí nghiệm Marshallcủa Mỹ, lấy chỉ tiêu độ ổn định và độ dẻo Marshall để đánh giá độ ổn định ở nhiệt

độ cao của bê tông nhựa Tiêu chuẩn đánh giá dứ trên tính năng sử dụng thực tế của

bê tông nhựa trên đường thí nghiệm Vì vậy phương pháp Marshall là một phươngpháp thực nghiệm, tiêu chuẩn đánh giá có liên quan với tình hình của đoạn đườngthí nghiệm và điều kiện tác dụng tải trọng

Phương pháp và thiết bị thí nghiệm Marshall đều đơn giản hơn so với thínghiệm nén ba trục Tuy nhiên nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy các chỉ tiêu độ ổnđịnh và độ chảy Marshall không phản ánh chính xác tính chất cơ lý của biến dạng

dư sinh ra khi hỗn hợp ở nhiệt độ cao Vì vậy không thể hoàn toàn dựa vào các chỉtiêu độ ổn định và độ dẻo để phán đoán sự tốt xấu của độ ổn định ở nhiệt độ cao củacác hỗn hợp khác nhau

- Tính chống trơn trượt:

Để đảm bảo xe chạy an toàn bề mặt của đường nhựa phải đủ nhám (đủ nănglực chống trơn) Độ nhám của mặt đường phụ thuộc vào độ nhám mịn và độ nhámthô của mặt đường Với mặt đường nhựa thì độ nhám mịn là cấu trúc bề mặt của cốtliệu còn độ nhám thô là cấu trúc hình thành giữa cốt liệu lộ ra ngoài bề mặt của mặtđường

Độ nhám mịn là nhân tố chống trơn cơ bản nhất của mặt đường Khi tốc độ

xe chạy không cao, nước mặt kịp thoát ra khỏi dưới bánh xe một phần, một phầncòn lại trong bề mặt cốt liệu Khi đó hình thức tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường

là kiểu tiếp xúc ma sát và độ nhám mịn có tác dụng quyết định bảo đảm năng lựcchống trơn trượt của mặt đường ẩm ướt Còn khi tốc độ xe chạy tương tối cao thì độ

nhám thô có tác dụng chủ yếu bảo đảm năng lực chống trơn trượt của mặt đường

Từ những phân tích trên đây để đảm bảo năng lực chống trơn trượt của mặtđường khi xe chạy với tốc độ thấp thì cần phải chọn dùng cốt liệu có độ nhám mịn ở

bề mặt Do tác dụng trùng phục của bánh xe mài nhẵn vật liệu, hệ số ma sát của mặtđường có thể giảm theo thời gian, vì vậy nên chọn các cốt liệu đảm bảo độ cứng màvẫn dính bám tốt với nhựa Để cho mặt đường có độ nhám thô nên tăng hàm lượngcát hạt vừa và các hạt thô cho hỗn hợp bê tông nhựa lớp mặt Nếu dùng đường kínhhạt của vật liệu hạt thô tương đối lớn thì độ nhám thô sẽ tương đối sâu, do đó khitốc độ xe chạy tăng thì hệ số ma sát có thể giảm xuống một ít, nhưng nếu dùng loạihạt tương đối nhỏ thì diện tích tiếp xúc thực tế của hoa văn bánh xe với mặt đường

có thể tăng lên, do đó khi tốc độ chạy xe thấp hệ số ma sát có thể cao

Ngoài ra phải khống chế chặt chẽ lượng nhựa sử dụng, lượng nhựa ít cấpphối có thể rời rạc, lượng nhựa nhiều cốt liệu dễ chìm xuống, nhựa trồi lên mặt làmgiảm tính năng chống trơn trượt của mặt đường

Hỗn hợp bê tông nhựa có độ ổn định thấp thì dễ xuất hiện đường nứt, rời rạc

và hao mòn làm giảm niên hạn sử dụng của mặt đường

Để tăng độ ổn định của hỗn hợp thì ngoài việc chọn hỗn hợp bê tông nhựa có

độ ổn định tốt, khống chế đúng nhiệt độ trộn hỗn hợp ra, còn phải giảm độ rỗng củahỗn hợp làm cho hỗn hợp không thấm nước hoặc ít thấm nước, khí và hơi nước Đểgiảm hàm lượng lỗ rỗng phải dùng hỗn hợp có cấp phối chặt và có hàm lượng cao.Ngoài ra còn dùng phụ gia để cải thiện độ dính bám của nhựa và cốt liệu

1.2.2 Hỗn hợp bê tông nhựa và các tính chất của hỗn hợp bê tông nhựa

1.2.2.1 Khái niệm và phân loại

Hỗn hợp bê tông nhựa là hỗn hợp nhận được khi phối trộn cốt liệu (đá dăm,cát, bột khoáng) với tỷ lệ xác định, sau đó được trộn với nhựa đường theo tỷ lệ xácđịnh qua thiết kế

Bê tông nhựa có nguồn gốc từ Mỹ, đã được sử dụng ở Nga từ những năm

1950, được sử dụng ở Việt Nam từ năm 1970 đến nay

Hỗn hợp bê tông nhựa đã đầm nén cũng như bất kỳ vật liệu nào khác có thểxem như có ba pha với pha lỏng được xem như là thành phần chất kết dính Cácthành phần vật liệu cơ bản của hỗn hợp bê tông nhựa như vậy sẽ bao gồm các cốtliệu thô và hạt mịn có thành phần cỡ hạt tuân theo một quy luật nhất định, nhựađường và bột khoáng Các tính chất của bê tông nhựa phụ thuộc vào tỷ lệ và tínhchất của các vật liệu thành phần, phụ thuộc vào sự phân bố chất kết dính trong hỗnhợp và chất lượng tương tác giữa cốt liệu và chất kết dính Mỗi thành phần tronghỗn hợp bê tông nhựa đóng một vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ đến nhautrong việc tạo nên một khối liên kết có đủ các tính chất cần thiết của vật liệu làmlớp mặt đường

Cốt liệu bao gồm cốt liệu hạt thô, cốt liệu hạt mịn với chức năng tạo bộkhung chịu lực cho hỗn hợp Thành phần kích cỡ hạt cốt liệu phải đảm bảo thỏamãn đường cong cấp phối tiêu chuẩn được quy định cho mỗi loại bê tông nhựa khácnhau với mục đích tạo khung chịu lực bền vững mà vẫn đảm bảo màng chất kếtdính đủ bao bọc và kết dính các hạt cốt liệu Với bê tông nhựa chặt, thành phần cỡhạt của cốt liệu theo phương trình họ đường cong Fuller:

nhựa cũng thay đổi đáng kể.

Cốt liệu lớn làm tăng khối lượng hỗn hợp, giảm giá thành của bê tông nhựa,tăng cường độ và độ ổn định Nhựa đường cùng bột khoáng tạo nên chất liên kếtasphalt Bột khoáng không chỉ có chức năng làm đầy các lỗ rỗng trong khung cốtliệu mà còn là thành phần làm biến đổi tính chất kết dính thuần túy của nhựa đườngtrong vữa asphalt Bột khoáng làm màng nhựa trở nên mỏng do đó tăng khả năngdính kết Ngoài ra, bột khoáng còn cải thiện tính chất nhạy cảm với nhiệt độ củanhựa đường do việc sử dụng bột khoáng làm tăng nhiệt độ hóa mềm của chất kếtdính asphalt mà không làm thay đổi nhiệt độ nứt gãy của nó Chất lượng của bêtông nhựa phụ thuộc vào nguồn gốc của cốt liệu, bột khoáng và độ quánh/ nhớt củanhựa đường

Một thành phần nữa trong bê tông nhựa cần phải kể đến là phụ gia Có nhiềuloại phụ gia được nghiên cứu sử dụng để cải thiện tính chất nhất định của bê tôngnhựa phù hợp với một mục đích sử dụng nhất định

Bê tông nhựa là tốt nhất so với các hỗn hợp vật liệu khoáng-bitum khác ởchỗ nó có độ đặc, cường độ, độ ổn định và độ bền cao do sự tham gia của bộtkhoáng trong thành phần Bê tông nhựa được sử dụng làm lớp phủ mặt đường cólượng giao thông cao như đường cao tốc, đường thành phố, đường sân bay

Các tính chất của bê tông nhựa phụ thuộc vào nhiệt độ thi công và nhiệt độkhai thác Theo các tài liệu quốc tế thì bê tông nhựa có thể khai thác ở nhiệt độ từ -50˚C đến +60˚C Trong quá trình khai thác bê tông nhựa chịu ảnh hưởng của cácyếu tố nhiệt độ và thời tiết nên nó bị hóa già, nứt nẻ, bị mài mòn và biến dạng làmgiảm tuổi thọ khai thác của bê tông nhựa Tuổi thọ trung bình của các lớp phủ mặtđường bằng bê tông nhựa khoảng 10 đến 15 năm Trong điều kiện thiết kế, thi công,bảo dưỡng và khai thác hợp lý thì tuổi thọ tối đa có thể đạt tới 20 năm

Bê tông nhựa là vật liệu chính để xây dựng đường ô tô và sân bay, nhận đượcsau khi rải và đầm chặt hỗn hợp bê tông nhựa

Bê tông nhựa còn có thể sử dụng làm vỉa hè, khu vui chơi giải trí, công trìnhthể thao và các công trình thủy lợi

Bê tông nhựa có thể được phân loại theo các đặc điểm sau:

- Theo nhiệt độ thi công: Bê tông nhựa nóng được rải và làm đặc khi nhiệt độ

không nhỏ hơn 120˚C, dùng nhựa có độ quánh 40/60, 60/70, 70/100; bê tông nhựa

ấm được rải và làm đặc khi nhiệt độ không nhỏ hơn 90 ˚C, dùng nhựa đường lỏng;

bê tông nhựa nguội được rải và làm đặc ở nhiệt độ không khí không nhỏ hơn 5˚C,dùng nhựa đường lỏng có độ nhớt thấp

- Theo độ rỗng dư: Bê tông nhựa chặt có độ rỗng dư từ 3÷6%; bê tông nhựarỗng có độ rỗng dư từ 6÷12%

- Theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định: Bê tông nhựa chặt (BTNC) gồm có 4loại là BTNC4,74; BTNC 9,5; BTNC12,5 và BTNC19 Bê tông nhựa rỗng (BTNR)gồm 3 loại là BTNR 19; BTNR25; BTNR37,5

- Theo đặc tính của cấp phối hỗn hợp cốt liệu: Bê tông nhựa có cấp phốichặt, Bê tông nhựa có cấp phối gián đoạn và bê tông nhựa có cấp phối hở

- Theo vị trí và công năng trong kết cấu: Bê tông nhựa có độ nhám cao, bêtông nhựa cát, bê tông nhựa dùng cho lớp mặt, bê tông nhựa dùng cho lớp móng…

1.2.2.2 Tính chất cơ bản của bê tông nhựa

Bê tông nhựa đòi hỏi kết cấu phía bên dưới có độ cứng cao để đảm bảokhông bị nứt gãy trong quá trình khai thác Đồng thời cải tiến độ nhám để đảm bảocho xe chạy với tốc độ cao

Cường độ và độ ổn định của bê tông nhựa được hình thành nhờ sự liên kếtgiữa cốt liệu với bột khoáng và bitum Thành phần bê tông nhựa có thể được thiết

kế theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn của nước ngoài Thành phần hỗn hợp vậtliệu khoáng theo các chỉ tiêu này về căn bản là giống nhau Tuy nhiên, vấn đề lượngbitum tối ưu còn có những điểm chưa thống nhất

Các tính chất của hỗn hợp bê tông nhựa và bê tông nhựa đã đầm nén làm mặtđường bao gồm tính chất liên quan đến đặc tính thể tích và tính chất cơ học

Chất lượng (độ ổn định) của bê tông nhựa phụ thuộc vào cường độ nén, khảnăng chịu uốn và mức độ đầm chặt khi thi công

Độ an toàn là rất quan trọng đảm bảo cho xe cộ di chuyển an toàn trên bềmặt Điều này được xác định khả năng chống trượt và thoát nước bề mặt

Yêu cầu độ bền của bê tông asphalt phải đảm bảo độ ổn định và cường độchống trượt trong suốt thời gian thiết kế, khai thác

Các đặc tính thể tích của bê tông nhựa bao gồm các chỉ tiêu: độ rỗng dư (Va),

độ rỗng cốt liệu (VMA), độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) Các giá trị này phải nằmtrong giới hạn quy định nhằm đảm bảo lớp bê tông nhựa có khả năng chống biếndạng, chống chảy nhựa dưới tác động của tải trọng xe và yếu tố nhiệt độ môitrường, hạn chế sự xâm nhập của nước vào hỗn hợp trong quá trình khai thác

Để xác định các chỉ tiêu đặc tính thể tích của bê tông nhựa, cần thiết phải tiếnhành các thí nghiệm và tính toán các chỉ tiêu sau:

- Các chỉ tiêu liên quan đến tỷ trọng của vật liệu thành phần: tỷ trọng của cốtliệu thô (đá dăm), tỷ trọng của cốt liệu mịn (cát thiên nhiên, cát xay từ đá), tỷ trọngcủa bitum, tỷ trọng của bột khoáng

- Các chỉ tiêu liên quan đến tỷ trọng của hỗn hợp bê tông nhựa: tỷ trọng biểukiến của cốt liệu trong hỗn hợp bê tông nhựa, tỷ trọng khối của hỗn hợp bê tôngnhựa ở trạng thái rời (chưa đần), tỷ trọng khối của hỗn hợp bê tông nhựa khi đãđược đầm nén, tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp bê tông nhựa ở trạng thái rời (chưađầm)

Các đặc tính về thể tích của hỗn hợp bê tông nhựa rải mặt đường như độrỗng dư, độ rỗng cốt liệu khoáng, độ rỗng lấp đầy nhựa và hàm lượng nhựa có hiệuthể hiện khả năng phục vụ mặt đường Mục đích của quá trình đầm nén mẫu bê tôngnhựa trong phòng thí nghiệm nhằm mô phỏng độ chặt của hỗn hợp bê tông nhựangày sau khi rải hoặc sau một số năm phục vụ, và có thể được xác định bằng cách

so sánh các đặc tính của mẫu nguyên dạng lấy về từ hiện trường với các đặc tínhcủa mẫu đúc trong phòng

Độ rỗng cốt liệu (VMA) là thể tích các khe rỗng tại giữa các hạt cốt liệutrong hỗn hợp, nó bao gồm độ rỗng dư và hàm lượng nhựa có hiệu, được xác địnhtheo % của tổng thể tích mẫu Độ rỗng cốt liệu là một chỉ tiêu thể tích được kiểmsoát trong hầu hết các phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa Đây

là một chỉ tiêu vật lý ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu cơ học của hỗn hợp bê tôngnhựa, và ảnh hưởng đến cường độ và độ bền của hỗn hợp Độ rỗng cốt liệu phụthuộc vào kích cỡ và thành phần kích cỡ hạt trong hỗn hợp cốt liệu

Hàm lượng nhựa có hiệu (Pbe) là tổng hàm lượng nhựa có trong hỗn hợp trừ

đi phần nhựa bị mất đi do thấm vào cốt liệu

Độ rỗng dư (Va) là tổng thể tích của các túi khí nhỏ nằm giữa các cốt liệu đãđược bao bọc nhựa có trong hỗn hợp sau khi lu lèn, xác định theo % thể tích củahỗn hợp Độ rỗng dư có ảnh hưởng rất lớn đến đặc trưng khai thác của mặt đường

bê tông nhựa chặt Nếu độ rỗng dư nhỏ hơn 3%, hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường

có nguy cơ xuất hiện vệt lún bánh xe do biến dạng dẻo chảy Nếu độ rỗng dư quálớn, sẽ thúc đẩy quá trình lão hóa của bê tông nhựa làm giảm độ bền chịu mỏi củamặt đường Độ rỗng dư còn có xu hướng giảm do tác dụng đầm nén thứ cấp của tảitrọng

Độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) là phần thể tích của các khe rỗng giữa các hạtcốt liệu được chiếm chỗ bởi nhựa Chỉ tiêu này có mối quan hệ chặt chẽ với độ rỗngcốt liệu và độ rỗng dư, do đó cũng quan hệ chặt chẽ với đặc trưng khai thác của mặtđường Chỉ tiêu này được quy định cho bê tông nhựa chặt thông thường là 50% -70% Nếu giá trị này cao quá, lên đến 80% - 85%, hỗn hợp sẽ có khả năng mất ổnđịnh và xảy ra hiện tượng lún vệt bánh xe

Hình 1.3 Các loại lỗ rỗng trong bê tông nhựa

Các tính chất cơ học của bê tông nhựa bao gồm các chỉ tiêu liên quan đếncường độ của hỗn hợp bê tông nhựa sau khi đầm nén nhằm đảm bảo cho kết cấu lớp

bê tông nhựa có đủ cường độ và độ bền sau khi xây dựng và trong quá trình khaithác dưới tác động của tải trọng xe chạy và các yếu tố môi trường

Khi tải trọng bánh xe tác dụng xuống mặt đường, có hai ứng suất được

truyền tới mặt đường bê tông nhựa: ứng suất thẳng đứng và ứng suất nằm ngang.Với ứng suất thẳng đứng sinh ra biến dạng lún của kết cấu mặt đường và gây ra ứngsuất kéo lớn nhất dưới đáy lớp vật liệu bê tông nhựa Hỗn hợp bê tông nhựa vì vậycần phải bền chắc và đủ khả năng đàn hồi để chống lại ứng suất nén và ngăn khôngcho xuất hiện biến dạng vĩnh cửu.

Bê tông nhựa phải có đủ cường độ chịu kéo để chống lại các ứng suất sinh ra

ở đáy lớp bê tông nhựa và có đủ độ đàn hồi để chống lại các tác động của tải trọng

mà không sinh ra hiện tượng nứt mỏi

Cùng với các tác động của tải trọng và môi trường, mặt đường bê tông nhựa

sẽ dần dần bị hư hỏng theo bốn hình thức chính dưới đây phụ thuộc vào cơ chế chịutải trọng xe chạy và điều kiện môi trường, đó là:

- Biến dạng vĩnh cửu;

- Nứt mỏi;

- Nứt do nhiệt độ thấp;

- Chảy nhựa lên bề mặt

Để xác định các tính chất cơ học của bê tông nhựa, trên thế giới tùy theotruyền thống, tùy theo phương pháp thiết kế bê tông nhựa và tùy theo điều kiện pháttriển của từng nước mà có nhiều phương pháp thí nghiệm khác nhau được áp dụngcho mỗi nước Trong quá trình phát triển, nhiều phương pháp thí nghiệm cơ học của

bê tông nhựa được bổ sung cho phù hợp với điều kiện làm việc của mặt đường bêtông nhựa, và cũng có không ít phương pháp được loại bỏ do ít được áp dụng Nhìnchung các phương pháp thí nghiệm cơ học của bê tông nhựa hiện nay thường sửdụng mô hình tải trọng trùng phục nhằm mô phỏng các tác động do tải trọng và yếu

tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) gây ra trên lớp mặt đường bê tông nhựa

Các tính chất cơ học của bê tông có thể phân theo các nhóm sau:

- Các tính chất cơ học phục vụ cho thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa: được tiếnhành phục vụ việc thiết kế lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp bê tôngnhựa Mẫu bê tông nhựa thiết kế phải thỏa mãn các tính chất liên quan đến đặc tínhthể tích, vừa phải thỏa mãn các tính chất cơ học được quy định tương ứng vớiphương pháp đó Phương pháp thiết kế bê tông nhựa được áp dụng khá phổ biếntrên thế giới và được biết nhiều ở Việt Nam có thể kể đến là:

 Phương pháp thiết kế Marshall;

 Phương pháp thiết kế Hveem;

 Phương pháp thiết kế theo Liên Bang Nga;

 Phương pháp thiết kế SuperPave

- Các tính chất cơ học của bê tông nhựa phục vụ cho tính toán kết cấu: tùythuộc các phương pháp tính toán thiết kế kết cấu mặt đường khác nhau, trong đóquy định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa cần thiết phục vụ tính toán xác địnhchiều dày cần thiết của lớp bê tông nhựa mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xechạy và các yếu tố môi trường

Phân nhóm các phương pháp thí nghiệm cơ học của bê tông nhựa theophương của lực tác dụng lên mẫu thì có các loại:

- Thí nghiệm với lực tác động theo phương đường kính của mẫu trụ tròn;

- Thí nghiệm với lực tác động dọc trục mẫu hình trụ tròn;

- Thí nghiệm với lực tác động 3 trục trên mẫu hình trụ tròn;

- Thí nghiệm cắt;

- Thí nghiệm kéo;

- Thí nghiệm kéo uốn trên mẫu hình dầm

Phân nhóm các phương pháp thí nghiệm cơ học theo kiểu tác dụng của lựcthì có các loại:

- Thí nghiệm với lực gia tải tĩnh;

- Thí nghiệm với lực gia tải động, nhiều chu kỳ gia tải

Ở Việt Nam hiện nay, phương pháp thiết kế Marshall là phương pháp đượcdùng phổ biến nhất Với phương pháp thiết kế Marshall, các chỉ tiêu cơ học chínhlà:

- Độ ổn định Marshall (S): là giá trị lực nén lớp nhất đạt được khi thửnghiệm mẫu bê tông nhựa chuẩn (mẫu hình trụ đường kính 101,6mm; chiều cao63,5mm) trên máy nén Marshall, đơn vị tính là kN Trường hợp mẫu có chiều caokhác 63,5mm thì hiệu chỉnh để xác định độ ổn định Marshall

- Độ dẻo Marshall (F): là biến dạng của mẫu bê tông nhựa trên máy nénMarshall tại thời điểm xác định độ ổn định Marshall, đơn vị tính là mm

- Độ ổn định còn lại: là tỷ số giữa độ ổn định Marshall của mẫu bê tông nhựa

ngâm trong bể ổn nhiệt ở 60˚C trong 24 giờ và độ ổn định Marshall của mẫu bêtông nhựa ngâm trong bể ổn nhiệt ở 60˚C trong 40 phút, tính bằng phần trăm (%).

Ngoài ra các đặc tính cơ học của bê tông nhựa liên quan tới độ bền khai tháccòn có module đàn hồi, tính mỏi, tính từ biến

Thực tế, bê tông nhựa không phải là vật liệu đàn hồi thuần túy Cũng nhưnhựa đường, là loại vật liệu thành phần chủ yếu, quan hệ giữa ứng suất và biến dạngkhông phải là tuyến tính, mà thay đổi phụ thuộc vào mức độ tải trọng, thời gian tácdụng của tải trọng và nhiệt độ thí nghiệm Mỗi mô hình thí nghiệm có thể cho cácgiá trị module độ cứng khác nhau tùy thuộc vào cơ chế gia tải và điều kiện thínghiệm Có một số mô hình thí nghiệm xác định module độ cứng của vật liệu bêtông nhựa như: Module đàn hồi tải trọng lặp, module phức động, module đàn hồixác định từ thí nghiệm uốn dầm với tải trọng động hình sin,

Đặc trưng mỏi là một tính chất quan trọng của hỗn hợp bê tông nhựa, ảnhhưởng trực tiếp đến độ bền khai thác và tuổi thọ của mặt đường bê tông nhựa Hiệntượng nứt do mỏi là do tác dụng của ứng suất kéo tác dụng lặp lại phát sinh do tảitrọng bánh xe Mô hình thí nghiệm mỏi vì thế có thể là mô hình kéo uốn dầm (phổbiến hơn) hoặc mô hình kéo gián tiếp (ép chẻ) Thí nghiệm mỏi có thể thực hiệnbằng cách duy trì ứng suất tác dụng không đổi hoặc duy trì một biến dạng không đổilên mẫu

Từ biến là thuộc tính rất quan trọng của bê tông nhựa, cũng bắt nguồn từ đặctính từ biến của nhựa đường Các thông số thu được từ thí nghiệm từ biến xác địnhkhả năng chống lại biến dạng không hồi phục của hỗn hợp, khi cho mẫu hỗn hợpchịu tác dụng của tải trọng dài hạn Người ta theo dõi sự phát triển của biến dạngkhông hồi phục theo thời gian khi mà tải trọng tác dụng có giá trị không đổi Cũng

có nhiều mô hình có thể sử dụng để làm thí nghiệm từ biến, như là: nén dọc trục nởhông tự do, nén ba trục, kéo gián tiếp (ép chẻ), và kể cả thí nghiệm mô phỏng bánh

xe (Wheel Tracking)

1.2.2.3 Yêu cầu cơ bản về cốt liệu để sản xuất bê tông nhựa

Cốt liệu đóng vai trò rất quan trọng trong hỗn hợp bê tông nhựa Nó chiếmkhoảng 92% đến 96% tổng khối lượng vật liệu trong bê tông nhựa và chiếm khoảngtrên 30% giá thành của kết cấu mặt đường Vì vậy nó ảnh hưởng khá nhiều tới giá

thành xây dựng mặt đường.

Cốt liệu có thể phân loại theo nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo Cốt liệu tựnhiên được lấy từ tự nhiên và trong quá trình khai thác, sản xuất không làm thay đổibản chất của chúng, chỉ sử dụng cách nghiền, đẽo, sàng hay rửa Trong nhóm này,

đá dăm, sỏi và cát là phổ biến nhất, mặc dù có thể có thêm đá bọt, đá vỏ sò, quặngsắt và đá vôi Cốt liệu nhân tạo bao gồm xỉ thép, đất sét nung, cốt liệu nhẹ và cácvật liệu thải Các vật liệu thải có thể là các phế thải xây dựng, bê tông mặt đườngnhựa cũ và các vật liệu thải tái chế khác

Các khối trầm tích cát, sỏi tự nhiên, đá xay là nguồn chính làm cốt liệu cho

bê tông nhựa Cát tự nhiên chủ yếu sử dụng cát sông, cát đồi Sỏi thông thườngdùng sỏi suối hoặc các mỏ

Ảnh hưởng của cốt liệu đến tính chất và khả năng chịu lực của hỗn hợp bêtông nhựa là rất lớn Cốt liệu lý tưởng cho hỗn hợp bê tông nhựa phải có cấp phốihợp lý, cường độ, khả năng chịu hao mòn lớn và hình dạng góc cạnh Những tínhchất khác bao gồm độ rỗng thấp, bề mặt xù xì, không bị bẩn, và có tính ghét nước.Chất lượng của cốt liệu sử dụng trong hỗn hợp bê tông nhựa được đánh giá quamột số chỉ tiêu sau:

- Tính thích ứng với nhựa đường

Thí nghiệm LosAngerles được dùng để đánh giá độ cứng và cường độ chốngmài mòn của cốt liệu Hỗn hợp cốt liệu thông qua ma sát giữa các hạt cốt liệu, phải

có khả năng truyền tải trọng bánh xe xuống các lớp móng phía dưới và phải có khảnăng chống lại sự mài mòn do tải trọng bánh xe

Cốt liệu phải có khả năng chống lại sự phá vỡ và phân rã do ảnh hưởng của

độ ẩm (quá trình nhiễm ẩm và khô) hoặc do ảnh hưởng của đóng và tan bang, và

các ảnh hưởng khác trong quá trình phong hóa Thí nghiệm để đánh giá tính chấtnày của cốt liệu là thí nghiệm độ bền Sunfat của cốt liệu (tiêu chuẩn ASTM C88hoặc AASHTO T103).

Hình dạng cốt liệu có góc cạnh để tạo lực ma sát và chèn móc lớn trongkhung cốt liệu sẽ tạo được hỗn hợp có độ bền cơ học hơn khi sử dụng các hạt tròncạnh Các hỗn hợp sử dụng hạt tròn cạnh có khả năng linh động và dễ đầm nén khithi công, nhưng cũng dễ tạo vệt lún bánh xe do độ rỗng còn dư nhỏ và khả năngbiến dạng dẻo lớn

Độ thô ráp bề mặt hạt cốt liệu, cũng tương tự như hình dạng cốt liệu có ảnhhưởng đến độ linh động khi thi công và cường độ hỗn hợp

Độ rỗng và đặc trưng bề mặt của cốt liệu ảnh hưởng rất lớn đến mối liên kếtgiữa bitum và bề mặt cốt liệu Chất kết dính asphalt phải dính chặt vào cốt liệu,đồng thời phải bao phủ toàn bộ bề mặt cốt liệu Nếu cốt liệu có độ rỗng thấp và trơnnhẵn, chất kết dính asphalt không thể dính vào cốt liệu Sự dính bám trở thành mộtchỉ tiêu rất quan trọng khi bê tông nhựa bị đặt trong môi trường nước Nếu cốt liệurất dễ thấm ướt, nước sẽ cạnh tranh với bitum để ngấm vào bề mặt cốt liệu, phá vỡmối liên kết giữa bitum và bề mặt cốt liệu

Hình dạng và cấu trúc bề mặt thể hiện qua số mặt vỡ của hạt cốt liệu thể hiệnkhả năng chống lại sự xuất hiện vệt lún bánh xe Hình dạng và số mặt vỡ của hạt cốtliệu chính là cơ sở để nghiên cứu cho ổn định của hỗn hợp bê tông nhựa kể cả cấpphối chặt và cấp phối hở

Độ sạch và hàm lượng các chất có hại (chủ yếu trên bề mặt của cốt liệu nhưlượng bụi, sét và các chất hữu cơ) và lượng các hạt sét, hạt bở, có ảnh hưởng đếncường độ chung của hỗn hợp và khả năng dính bám giữa cốt liệu và nhựa đường

Thành phần cấp phối hạt, tỷ trọng, độ cứng, độ bền, các chất có hại, cường

độ nén vỡ, hình dạng và đặc trưng bề mặt của cốt liệu là những tính chất quan trọngcủa cốt liệu ảnh hưởng đến sự ổn định của kết cấu bê tông nhựa Thành phần cấpphối hạt là tương quan giữa kích thước và hàm lượng hạt cần phù hợp với các tiêuchuẩn về thành phần hạt hợp lý cho hỗn hợp bê tông nhựa được thể hiện ở dạng cácđường cong Dạng đường cấp phối sát với tiêu chuẩn đảm bảo hỗn hợp có độ đặc và

độ chịu lực lớn nhất Khoảng trống giữa các hạt cốt liệu lớn được lấp đầy bởi các

Xỉ thép muốn sử dụng làm cốt liệu cho bê tông nhựa cũng cần đạt được cáctính chất cơ bản đã nêu trên.

CHƯƠNG 2: XỈ THÉP VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG XỈ THÉP TRONG

XÂY DỰNG ĐƯỜNG

2.1 Tổng quan về nghiên cứu sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường ô tô trên thế giới

2.1.1 Các chỉ tiêu cơ lý của xỉ thép

Về cơ bản, các tính chất chung, các chỉ tiêu cơ lý yêu cầu của xỉ thép đượcnghiên cứu để làm cốt liệu cho bê tông nhựa cũng tương tự như các yêu cầu đối vớicốt liệu đá dăm như yêu cầu về thành phần hạt, cỡ hạt, đặc điểm bề mặt, độ cứng,

độ bền, hàm lượng hạt thoi dẹt, hàm lượng bụi bùn sét Ngoài ra, xỉ thép cần phảiđảm bảo yêu cầu không chứa hàm lượng kim loại nặng vượt quá yêu cầu

Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu trên thế giới:

- “Thí nghiệm nghiên cứu sử dụng xỉ thép làm cốt liệu trong hỗn hợp bê tôngasphalt”, Magdi M E Zumrawi, Faiza O A Khalill, Tạp chí quốc tế về giao thông,môi trường, kết cấu, xây dựng và kỹ thuật kiến trúc tập 9, số 6,năm 2015: Xỉ thép

có dạng hình khối lập phương với các cạnh sắc, bề mặt thô ráp với nhiều lỗ rỗng bềmặt, rất ít hạt thoi dẹt Các đặc điểm này khiến cho xỉ thép có độ dính bám tốt vớibitum, tăng góc nội ma sát, dẫn tới tăng độ bền, khả năng chịu lực, chịu mài mòn,tăng khả năng chống lại ứng suất cắt, đồng thời giảm khả năng bong tróc bề mặt của

bê tông nhựa Xỉ thép có khối lượng riêng lớn 3,1 g/cm3, độ hút nước 3,2 % Độ haomòn LosAngerles (LA) đạt 10%, góc nội ma sát 40˚-50˚, độ cứng theo thang độcứng Friedrich Mohs đạt mức 7, chỉ số CBR đạt tới 300% Độ dính bám đạt trên95% Hàm lượng hạt thoi dẹt khoảng 8%

- “Sử dụng cốt liệu xỉ thép cho mặt đường bê tông nhựa”, Sở Giao thông Vậntải Washington, tháng 11 năm 2015: Xỉ thép có khối lượng riêng 3,3 g/cm3, độ hútnước 2-4%, Độ hao mòn LosAngerles (LA) đạt 16%

- “Ứng dụng xỉ thép trong sản xuất hỗn hợp bê tông asphalt ở Croatia”, TahirSOFILIĆ, Alenka RASTOVČAN-MIOČ , Mario ĆOSIĆ,Vesna MERLE, Boro MIOČ, Una SOFILIĆ: Xỉ thép có khối lượng riêng lớn 3,4 g/cm3, độ hút nước >1

% Độ hao mòn LosAngerles (LA) đạt 13%

- “Vai trò của xỉ thép Jordan trong hỗn hợp bê tông nhựa nóng”, Anis S

Shatnawi , Mu’tasim S Abdel-Jaber), Ma’en S Abdel-Jabe and Khaled Z

Ramadan, Jordan Journal of Civil Engineering, Volume 2, No.3, 2008: Xỉ thép có

khối lượng riêng lớn 3,22-3,26 g/cm3, độ hút nước 1,7-2,5% % Độ hao mòn

LosAngerles (LA) đạt 20,5%, độ nén dập trong xi lanh đạt 19%, góc nội ma sát 42˚,chỉ số CBR >300 %

Các nghiên cứu trên chỉ ra rằng xỉ thép có các tính chất ưu việt hơn đá dăm, thích hợp để làm cốt liệu cho bê tông nhựa

2.1.2 Thành phần hóa học của xỉ thép

Thành phần hóa học của xỉ thép qua các nghiên cứu của các nước bao gồmchủ yếu các ôxit: CaO, Fe2O3, SiO2, MgO và Al2O3 Tuy nhiên tại mỗi nước khácnhau thì tỷ lệ của các ôxit là khác nhau

Ở Sudan, [23] trong xỉ thép chứa 41,3% CaO; 15,6% SiO2; 20% Fe2O3; 6,9%MgO; 2,2% Al2O3, ngoài ra còn có MnO, TiO2 với tỷ lệ không đáng kể

Theo nghiên cứu ở Cộng hòa Czech, [26] thành phần hóa học chủ yếu của xỉthép gồm 36,3% CaO; 42,5% SiO2; 0,18% Fe2O3; 11,7% MgO; 6,8% Al2O3; ngoài

đủ dài để các oxit tự do phản ứng hết sau đó mới đem đi sử dụng làm cốt liệu

Bảng 2.1 :Thành phần hóa học của xỉ thép ở một số nước trên thế giới

-Cộng hòa Czech - 0.18 36.3 42.5 6.8 11.7 Jordan - 15.3 45.1 12.5 4.1 8.9 4.8Thổ Nhĩ Kỳ - 23.5 51 12.5 1.4 1.3 3.7

Australia - 29 35 14 5.5 7.7 5.7

2.1.3 Các nghiên cứu ứng dụng xỉ thép trong xây dựng giao thông trên thế giới

Hiện nay, tại châu Âu, Hoa Kỳ, Nhật Bản và nhiều nước tiên tiến trên thếgiới, xỉ thép không được xem là chất thải nếu đã qua xử lý, tái chế, đồng thời quyđịnh bắt buộc các công ty luyện thép phải tái chế xỉ thép, hạn chế chôn lấp Các sảnphẩm xỉ đã qua xử lý gồm: Xỉ đã được nghiền thành hạt, xỉ đã được hóa rắn thànhdạng viên hoặc tấm, xỉ được nghiền, đập, sàng, xay đến kích thước nhất định sẽđược sử dụng vào nhiều mục đích xây dựng, giao thông, nông nghiệp và côngnghiệp xử lý chất thải Các ứng dụng của xỉ thép có thể được kể đến như sau:

a Thay thế cốt liệu cho bê tông xi măng

Xỉ thép có chứa thành phần hóa học tương tự như xi măng Portland, mặc dù

tỷ lệ các chất khác nhau Chính vì vậy, xỉ thép có thể được sử dụng trong xi măngPortland và trong bê tông

Tùy vào ứng dụng cụ thể, hàm lượng xỉ thép thay thế trong xi măng Portland

có thể đạt từ 20 - 50% Sử dụng xỉ thép trong bê tông cũng có ưu điểm, vì xỉ théplàm cho bê tông tăng tính ổn định nhiệt, kháng sulfate, nước biển và clo và các tínhchất này khó có thể tìm thấy được khi dùng xi măng Portland

Nghiên cứu của Sultan A Tarawneh và các đồng nghiệp [34] cho thấy, xỉ thép thỏa mãn những đặc điểm cơ bản để làm cốt liệu hoặc thay thế một phần cốt liệu trong bê tông Bê tông sử dụng cốt liệu xỉ thép cho cường độ chịu nén, cường

độ chịu uốn, độ bền cao hơn so với bê tông truyền thống sử dụng đá dăm

Trong một nghiên cứu khác ở Ấn Độ, Mohammed Nadeem và Arun D

Pofale [35] đã thử nghiệm việc thay thế đá dăm trong bê tông bằng xỉ thép với các

tỷ lệ 30%, 50%, 70% và 100% Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ chịu nén vàchịu kéo của bê tông được cải thiện từ 4% - 8% so với bê tông truyền thống

Năm 2013, Dr.K.Chinnaraju cùng các cộng sự [36] nghiên cứu và đưa ranhận định rằng tỷ lệ xỉ thép được thay thế đá dăm tối ưu là 60%, nếu vượt quá giátrị này sẽ làm giảm đặc tính làm việc của bê tông

Công trình nghiên cứu của Khalid Raza, Sharda Sharma, Ritesh Mall,R.D.Patel [37] được tiến hành với sự thay thế cốt liệu nhỏ trong bê tông bằng xỉthép với tỷ lệ 50%, cho thấy khả năng làm việc của bê tông được cải thiện tới 20%.Với tỷ lệ thay thế xỉ thép hoàn toàn cho cốt liệu lớn, khối lượng thể tích của bê tôngtăng từ 6% - 8%, trong khi đó nếu thay thế hoàn toàn cốt liệu nhỏ bằng xỉ thép sẽlàm khối lượng thể tích của bê tông giảm đi 2%

Nhiều công trình có sử dụng bê tông xỉ thép được xây dựng trên thế giới,như: Sân vận động Quốc gia Bắc Kinh - Trung Quốc, sân bay Sydney, sân vận độngColonial Melboune và một số công trình khác.[29]

b Xỉ thép cho nền, móng đường

Xỉ thép đã được nghiên cứu và sử dụng làm móng đường ở nhiều nơi trên thếgiới Trong xỉ thép có chứa hàm lượng CaO cao CaO sẽ trương nở khi gặp nước vàlàm tăng thể tích Chính vì vậy, việc nghiên cứu khả năng ứng dụng của xỉ thép chonền và móng đường là rất cần thiết

Nghiên cứu của Ahmed Ebrahim Abu El-Maaty Behiry ở Ai Cập [38] đưa ranhận định rằng tăng tỷ lệ xỉ thép trong cấp phối cốt liệu làm móng đường sẽ cảithiện các đặc tính cơ lý của lớp móng như tăng khối lượng thể tích khô lớn nhất,tăng chỉ số Califonia Bearing Ratio (CBR) và mô đun đàn hồi Tỷ lệ thay thế lýtưởng là 70% xỉ thép và 30% đá dăm

Theo hướng dẫn sử dụng xỉ thép ở Washington, Hoa kỳ [33] , xỉ thép nênđược lưu trữ khoảng 6 tháng trước khi sử dụng để giảm thiểu độ trương nở do tácđộng của nước và hơi nước trong quá trình phục vụ Mô-đun đàn hồi của xỉ thép caohơn so với đá dăm, lên tới 500MPa Lớp móng đường sử dụng 100% xỉ thép chokhả năng thoát nước tốt mặc dù bị ngập nước nhiều lần do mưa và hệ thống thoátnước mưa kém Ngoài ra, hướng dẫn này còn đưa ra những nhận định về ưu, nhược

điểm của xỉ thép như độ chống mài mòn, bong bật cao, cường độ cao, chống trượttốt, độ cứng cao, chống mỏi tốt…tuy nhiên có khả năng bị trương nở thể tích, cónhiều lỗ rỗng nên hút nước nhiều, độ bền theo thời gian còn bỏ ngỏ bởi thiếu cácnghiên cứu lâu dài ngoài hiện trường… Cũng theo hướng dẫn này, sở Giao thôngvận tải bang Illinois, Hoa kỳ đã có nghiên cứu so sánh mức độ trưởng nở của lớpmóng đường sử dụng vật liệu là xỉ thép và lớp móng đường sử dụng vật liệu là bêtông nhựa xỉ thép tái chế Kết quả cho thấy xỉ thép có độ trương nở khá lớn là 6,2%trong khi bê tông nhựa xỉ thép tái chế có độ trương nở nhỏ là 1,46% - 1,69%.

Xỉ thép đã được sử dụng cho nền đường ở nhiều nước như Mỹ, Trung Quốc,

Úc, Brazil…

c Xỉ thép cho công trình thủy lợi và các công trình khác

Theo nghiên cứu của TS Nguyễn Quốc Hiển, Trường Đại học Giao thôngvận tải TP Hồ Chí Minh [12], ở Đức, khoảng 400.000 tấn xỉ được sử dụng mỗi năm

để làm ổn định lòng sông và bờ kè sông để chống lại xói mòn Còn ở Nhật Bản,Hiệp hội xỉ Nippon đã phát triển công nghệ sử dụng xỉ như một loại vật liệu xử lýđất ở các công trình cảng từ những năm 1993 Ngoài ra, xỉ thép còn được ứng dụngrộng rãi trong công tác xử lý nền, bao gồm thi công nền hạ công trình, chống lún,chống lầy cho các công trình kho bãi và nhà xưởng Vì xỉ thép có chứa hàm lượng

xi măng thấp và hàm lượng CaO cao nên có thể làm việc như một chất ổn định nền

Xỉ thép có thể được dùng để thi công trong môi trường không thuận lợi (nền đất lầy,lún, ngập nước) hoặc thời tiết xấu (mưa) Đặc biệt tại các công trình bị ngập nước,

xỉ thép được sử dụng để chống lầy, làm khô mặt bằng và xử lý nền đất yếu trongquá trình thi công

d Xỉ thép cho bê tông nhựa

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng xỉ thép làm cốt liệu cho bêtông nhựa Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là thiết kế bê tông nhựa sử dụng xỉthép, tiến hành các thí nghiệm và so sánh kết quả với bê tông nhựa sử dụng đá dăm

có cùng cấp phối

Từ những năm từ 1990, xỉ thép đã được sử dụng cho bê tông nhựa tại Úc,

Mỹ Ưu điểm của xỉ thép so với các loại vật liệu đá tự nhiên là bề mặt có độ nhámcao và cường độ chịu lực tốt Theo thống kê [33], đã có 16 bang của Mỹ có những

nghiên cứu và báo cáo về việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu cho bê tông nhựa, baogồm các bang Alabama, Colorado, Connecticut, Indiana , Illinois, Iowa, Kentucky,Minnesota, Missouri, Ohio, Oregon, Pennsylvania, South Carolina, Virginia,Washington D.C, West Virginia, Wisconsin Bang Indian thậm chí đã ban hành tiêuchuẩn sử dụng xỉ thép cho lề đường, lớp mặt bê tông nhựa nóng, lớp mặt StoneMastic Asphalt (SMA)…Bang Iowa có các nghiên cứu với tỷ lệ thay thế xỉ théptrong hỗn hợp cốt liệu từ 25 – 30%, kết quả cho thấy hỗn hợp cốt liệu có độ ma sátcao hơn, dung trọng lớn hơn so với đá dăm.

Một nghiên cứu ở Ukraina [39] nhận định rằng xỉ thép có thể sử dụng nhưmột loại cốt liệu để sản xuất bê tông nhựa Điều này không những làm giảm giáthành, mà còn cải thiện độ bền theo thời gian của bê tông nhựa, nhất là trong 5 nămđầu của thời kỳ khai thác Nghiên cứu này đã tiến hành các thí nghiệm module đànhồi với tải trọng tĩnh, xác định độ bằng phẳng bằng thước 3m, đánh giá mức độ dínhbám của lớp bê tông nhựa sử dụng cốt liệu xỉ thép, cùng với đó xác định nhiệt dungriêng và hệ số truyền nhiệt của xỉ thép Kết quả cho hệ số truyền nhiệt của bê tôngnhựa hạt mịn sử dụng xỉ thép là 0,39 (W/m.˚K), nhiệt dung riêng là 1,68 (J/kg.˚K),với bê tông nhựa hạt thô kết quả tương ứng là 0,4 (W/m.˚K) và 1,71 (J/kg.˚K) Việc

sử dụng xỉ thép trong bê tông nhựa làm tăng mô đun đàn hồi 55% , độ bằng phẳngtốt hơn 10% và giảm được sự trơn trượt trong thời tiết lạnh giá tới 15% so với bêtông nhựa truyền thống

Hướng dẫn sử dụng xỉ thép của Hiệp hội xỉ thép Australia [28] cho thấy xỉthép hoàn toàn phù hợp để sử dụng làm cốt liệu cho bê tông nhựa bởi xỉ thép cócường độ cao, sắc cạnh, độ chống va đập, chống mài mòn, chống bong bật tốt, vàchống trượt tốt

Nghiên cứu của Magdi M E Zumrawi, Faiza O A Khalill [23] đã chỉ rarằng, bê tông nhựa xỉ thép có dung trọng lớn hơn, các đặc tính cơ lý tốt hơn so với

bê tông nhựa truyền thống sử dụng đá dăm Với tỷ lệ xỉ thép là 75% trong hỗn hợpcốt liệu, bê tông nhựa xỉ thép có hàm lượng nhựa tối ưu là 6,1% so với 5,1% của bêtông nhựa cốt liệu đá dăm, độ rỗng dư đạt 4,3%, khối lượng riêng đạt 2,4 g/cm3

Ở Canada, [31] Ibrahim M Asi, Hisham Y Qasrawi, và Faisal I Shalabithay thế xỉ thép với các tỷ lệ 25%, 50%, 75%, 100% trong hỗn hợp bê tông nhựa và

tiến hành các thí nghiệm đánh giá các đặc tính của bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép Kếtquả cho thấy tỷ lệ thay thế lý tưởng nhất cho xỉ thép là 25% Chế tạo mẫu thínghiệm bằng thiết bị đầm xoay với số chày đầm là 126, hàm lượng nhựa tối ưu là5,36%, khối lượng riêng đạt 2,450 g/cm3, độ rỗng cốt liệu 15,8%; độ rỗng lấp đầynhựa là 75% Tiến hành thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo gián tiếp, mô đunđàn hồi, thí nghiệm vệt lún bánh xe đều cho kết quả rất khả quan.

Hình 2.1 Cường độ chịu kéo gián tiếp bê tông nhựa xỉ thép ở Canada

Hình 2.2 Module đàn hồi của bê tông nhựa xỉ thép ở Canada

Tổng hợp các kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy:

- Hàm lượng nhựa tối ưu trong hỗn hợp (tính theo tỷ lệ % khối lượng cốt liệu