CONG NGHE GIA CO VAT LIEU ROI

Bộ môn đường Công nghệ gia cố vật liệu rêi TP HCM, th¸ng 5/2010 Bài giảng: Cơng nghệ gia cố vật liệu rời A- PHẦN MỞ ĐẦU A.1 Định nghĩa vật liệu rời: A.2 Định nghĩa gia cố vật liệu rời A.3 Phạm vi nghiên cứu môn học A.4 Tầm quan trọng gia cố vật liệu rời xây dựng giao thông A.5 – Các đặc trưng cường độ độ biến dạng đất vật liệu hạt gia cố 3 3 CHƯƠNG I: GIA CỐ ĐẤT TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG 13 1.1 CÁC ĐẶC TÍNH QUAN TRỌNG CỦA ĐẤT DÙNG TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1.1 Thành phần hạt cấp phối hạt đất 1.1.2 Giới hạn dẻo, giới hạn chảy số dẻo, số độ sệt đất 1.1.3 Độ chặt độ ẩm đất 1.1.4 Chỉ số CBR (California Bearing Ratio) 1.1.5 Độ trương nở đất 1.1.6 Phạm vi sử dụng loại đất đắp đường 13 13 13 14 16 17 18 1.2 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ GIA CỐ ĐẤT 1.2.1 Khái niệm chung 1.2.2 Các phương pháp gia cố đất xây dựng đường ô tô 1.2.3 Đất gia cố xi măng 19 19 20 24 1.3 CÔNG NGHỆ GIA CỐ ĐẤT LÀM ĐƯỜNG Ô TÔ 1.3.1 Công nghệ gia cố đất xi măng 1.3.2 Công nghệ gia cố đất vôi 28 28 33 1.4 ĐẤT GIA CỐ NHŨ TƯƠNG BI TUM 1.4.1 Lý thuyết đất gia cố chất liên kết hữu 1.4.2 Thi cơng mặt, móng đường đất gia cố nhũ tương bi tum 44 45 47 1.5 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ ĐẤT PHI TRUYỀN THỐNG 1.5.1 Phối hợp gia cố đất xi măng/ vôi với tro bay 1.5.2 Đất gia cố xi măng nhũ tương nhựa đường 1.5.3 Gia cố đất sử dụng phụ gia đặc biệt 48 48 49 49 CHƯƠNG 2: GIA CỐ CÁT HẠT NHỎ (CÁT DI ĐỘNG) 54 2.1 ĐẶC ĐIỂM GIA CỐ CÁT HẠT MỊN 54 2.2 GIA CỐ CÁT HẠT MỊN BẰNG CHẤT LIÊN KẾT VÔ CƠ VÀ HỮU CƠ 56 2.3 GIA CỐ BẰNG KEO TỔNG HỢP 62 2.4 PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ BỀ MẶT CÁT VÀ CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CƠ BẢN 68 2.5 GIA CỐ CÁT SÔNG HỒNG 73 CHƯƠNG III: MẶT ĐƯỜNG LÀM BẰNG VẬT LIỆU ĐÁ GIA CỐ XI MĂNG 75 3.1 KHÁI NIỆM 75 3.2 ĐÁ DĂM VÀ CẤP PHỐI ĐÁ DĂM 76 BM: Đường Bài giảng: Công nghệ gia cố vật liệu rời 3.3 MẶT ĐƯỜNG ĐÁ DĂM KẸP VỮA XI MĂNG - CÁT 86 3.4 CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG 3.4.1 Nguyên lý gia cố 3.4.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ cấp phối đá gia cố xi măng 3.4.3 Yêu cầu hỗn hợp cấp phối đá gia cố xi măng dùng mặt đường 3.4.4 Yêu cầu vật liệu dùng để gia cố 3.4 Trình tự nội dung thi cơng lớp cấp phối đá gia cố xi măng 3.4 Kiểm tra, nghiệm thu lớp cấp phối đá gia cố xi măng 89 89 91 93 94 95 99 CHƯƠNG IV: MẶT ĐƯỜNG ĐÁ GIA CỐ NHỰA 101 4.1 ĐÁ DĂM GIA CỐ NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP THẤM NHẬP 4.1.1 Khái niệm chung 4.1.2 Thi công lớp thấm nhập nhựa dùng nhựa hình thức nhựa nóng 4.1.3 Thi cơng lớp thấm nhập nhựa dùng nhựa hình thức nhũ tương 101 101 102 107 4.2 MẶT ĐƯỜNG LÁNG NHỰA 4.2.1 Khái niệm 4.2.2 Phân loại 4.2.3 Yêu cầu vật liệu (áp dụng cho lớp láng mặt hình thức nhựa nóng) 111 111 112 113 4.3 ĐÁ DĂM GIA CỐ NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP TRỘN 4.3.1 Khái niệm chung 4.3.2 Phân loại 121 121 122 BM: Đường Bài giảng: Công nghệ gia cố vật liệu rời A- PHẦN MỞ ĐẦU A.1 Định nghĩa vật liệu rời: Vật liệu rời vật liệu dạng hạt khơng có tính dính tính dính nhỏ Tính dính bị tác động định ví dụ ngâm nước Vật liệu rời có tên chung đất (đất xây dựng) Tuỳ theo thành phần hạt chứa vật liệu rời mà chúng có tên khác nhau: đất cát, đất sét, đất cát, đất sét, đất lẫn đá (cấp phối đồi), cuội sỏi (cấp phối suối), đá dăm (vật liệu hạt nghiền từ đá thiên nhiên nhân tạo dạng khối), cấp phối đá dăm (hỗn hợp đá dăm theo tỷ lệ thành phần cỡ hạt định) A.2 Định nghĩa gia cố vật liệu rời Gia cố vật liệu rời sử dụng tác động định nhằm thay đổi giữ lâu dài tính chất định vật liệu rời phù hợp (có lợi) cho mục tiêu sử dụng Biện pháp tác động để gia cố vật liệu rời phong phú: Các tác động vật lý: thay đổi thành phần hạt, cấp phối hạt; Các tác động học: ví dụ đầm nén; Các tác động nhiệt: biến đất thành gạch, thành gốm; Các tác động hoá học: sử dụng chất liên kết vơ (vơi, xi măng, xỉ lị cao…, sử dụng chất liên kết hữu cơ: loại nhựa đường, hợp chất chuyên dụng khác…); Các tác động điện: dùng dòng điện phá vỡ liên kết phân tử nước với hạt sét để giải phóng nước làm tăng độ chặt đất; Các tác động đồng thời nhiều nhân tố: -lý; - hoá; lý - hoá; điện – hố… A.3 Phạm vi nghiên cứu mơn học Các vật liệu bê tông asphalt hay bê tông xi măng, bê tông xi măng cường độ cao… xét chất tạo nên loạt trình gia cố vật liệu rời Tuy nhiên, sau tương tác chất vật liệu rời nên chúng không thuộc phạm vi nghiên cứu mơn học tính đặc thù nó; BM: Đường Bài giảng: Cơng nghệ gia cố vật liệu rời Vật liệu đất, cát, cuội sỏi vật liệu đá gia cố sử dụng làm lớp đường, móng móng cho mặt đường cấp cao hay dùng làm lớp móng, lớp mặt cho mặt đường cấp thấp đối tượng môn học đặc biệt quan tâm A.4 Tầm quan trọng gia cố vật liệu rời xây dựng giao thông A.4.1 Vật liệu rời vật liệu rời gia cố sử dụng rộng rãi xây dựng đường ô tô a) Sử dụng xây dựng đường: Nền đường ô tô, đường sắt định nghĩa cơng trình làm đất (theo khái niệm rộng rãi trên: vật liệu rời) Để đảm bảo cho đường mặt đường cơng trình xây dựng đường bền vững lâu dài tác động nhân tố mơi trường ngồi tác động xe cộ lại đất làm đường phải thoả mãn yêu cầu định, ví dụ: khả chịu lực, thành phần hạt, độ chặt, độ ẩm, số dẻo, độ trương nở…khi yêu cầu không thoả mãn sử dụng biện pháp gia cố đất để làm đường b) Sử dụng xây dựng áo đường (mặt đường): Làm lớp đáy áo đường cho áo đường cấp cao sử dụng đất chọn lọc (cấp phối đồi) có CBR>10 (12), mơ đun đàn hồi > 50Mpa đất (cát) gia cố vôi, xi măng, nhựa đường, xỉ lị cao… Làm lớp móng : Mặt đường cấp cao sử dụng cấp phối đá dăm loại 1, loại 2, đất gia cố làm lớp móng Lớp móng mặt đờng cấp cao phải sử dụng vật liệu rời gia cố để đảm bảo tuổi thọ cao mặt đường Có thể cấp phối đá dăm gia cố nhựa, cấp phối đá dăm gia cố xi măng, đá dăm đồng kích cỡ gia cố nhựa, gia cố xi măng, cát hạt to, cuội sỏi gia cố xi măng Mặt đường cấp thấp, vật liệu rời vật liệu rời gia cố sử dụng làm lớp móng lớp mặt A.4.2 Sử dụng vật liệu rời vật liệu rời gia cố xây dựng đường tơ có hiệu nhiều mặt a) Hiệu kỹ thuật Nền đường móng đường vật liệu rời vật liệu rời gia cố có ảnh hưởng định đến cường độ tuổi thọ áo đường tồn cơng trình đường Quan điểm chi phối tiêu chuẩn thiết kế xây dựng đường đại BM: Đường Bài giảng: Công nghệ gia cố vật liệu rời Trong tiêu chuẩn TCN 211-06 : thiết kế áo đường mềm, đặt yêu cầu cao đất đắp đường nhằm mục đích nói Đồng thời mong muốn sử dụng vật liệu rời gia cố làm lớp móng áo đường cấp cao b) Hiệu kinh tế Xét tổng thể, áo đường cấp cao, nhiều xe chạy việc nâng cao yêu cầu đường sử dụng vật liệu rời gia cố có lợi kinh tế tăng thời gian sử dụng áo đường (có thể gấp đơi: loại mặt đường, nước dùng 10-12 năm, nước ta 5-6 năm) Để đạt hiệu kinh tế tốt cần đặc biệt lưu ý sử dụng vật liệu địa phương khơng đạt chuẩn gia cố để có vật liệu thích hợp Ví dụ dùng cát hạt nhỏ có khắp sông đồng Bắc bộ, Nam gia cố xi măng làm lớp đáy áo đường thay cho đất cấp phối đồi phải vận chuyển từ xa đến Chi phí vận chuyển đất trường hợp lớn tiền phải bỏ mua xi măng c) Bảo vệ mạng đường có Khối lượng vật liệu phải chuyên chở để xây dựng đường áo đường lớn Đối với cơng trình lớn lượng vận chuyển lên đến hàng trăm triệu Nhu cầu sử dụng xe trọng tải lớn để vận chuyển cao Mạng lưới đường địa phương bị phá hoại nhanh Khôi phục lại đường sau thi cơng tốn Vì giảm lượng vật liệu từ xa đến, mạng lưới đường có bảo vệ d) Hiệu giảm thiểu tác động đến môi trường Đây yêu cầu cấp bách Cần phải mở rộng phạm vi sử dụng vật liệu địa phương để tránh cho nguồn tài nguyên bị khai thác cạn kiệt, tránh cho ruộng vườn thành ao, hồ, đồi núi bị san hay đào bới nham nhở Ví dụ dùng cát nạo vét kênh mương khu vực Hải Phòng, Hưng Yên, Hải Dương, Hà Nội để đắp đường cao tốc Hà Nội – Hải Phịng (cần hàng chục triệu mét khối) có lợi A.5 – Các đặc trưng cường độ độ biến dạng đất vật liệu hạt gia cố A.5.1 Các đặc trưng cường độ Vì đất vật liệu hạt sau gia cố với chất liên kết trở thành vật liệu gia cố làm lớp kết cấu áo đường có phù hợp với yêu cầu chịu tải bánh xe truyền xuống không, BM: Đường Bài giảng: Công nghệ gia cố vật liệu rời thông thường người ta sử dụng đặc trưng cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo trực tiếp (hoặc gián tiếp) hay chịu kéo uốn mẫu vật liệu gia cố đem thử nghiệm trạng thái khơ bão hồ nước tuổi mẫu (7, 28, 90 ngày…) Riêng với loại đất cố nhựa lỏng có cấu trúc keo tụ, cịn sử dụng đặc trưng cường độ chống cắt để đánh giá khả ổn định chúng làm việc nhiệt độ cao a) Cường độ chịu nén Để đánh giá cường độ chịu nén vật liệu gia cố chất liên kết người ta thường dùng thử nghiệm nén trục nở hông tự với tiết diện truyền tải tiết diện ngang mẫu Các tiêu chuẩn ngành nước ta quy định sử dụng loại hình mẫu đất vật liệu hạt gia cố chế bị độ ẩm tốt dung trọng khô lớn dung trọng khô yêu cầu tương ứng với công đầm nén tiêu chuẩn cải tiến chế bị áp lực tĩnh 100150 daN/cm2 thời gian phút đất gia cố chất liên kết vô 300daN/cm2 với đất gia cố nhựa lỏng với kích thước mẫu sau: - Mẫu hình trụ trịn có đường kính 152 mm, cao 117mm cho vật liệu hạt có kích cỡ hạt lớn cấp phối đá dăm (sỏi cuội) gia cố xi măng; với loại đất vật liệu có kích cỡ hạt lớn 5mm dùng mẫu hình trụ có đường kính 5cm chiều cao 5cm (cả cho loại đất gia cố liên kết vô hữu cơ) - Theo tiêu chuẩn Anh thi mẫu chuẩn có hình dạng lập phương với kích thước cạnh 150mm dùng cho đất vật liệu hạt gia cố chất liên kết vơ cơ; cịn đất gia cố nhựa lỏng lại dùng mẫu hình trụ đánh giá thử nghiệm Mácsan với bê tông nhựa Trong trường hợp không tiện chế bị mẫu lập phương, tiêu chuẩn Anh cho phép sử dụng mẫu hình trụ trịn kết nén phải thay đổi mẫu chuẩn lập phương với hệ số quy đổi thuỳ thuộc kích thước mẫu trụ tròn bảng A1-1 Bảng A1-1: Hệ số quy đổi kết nén mẫu hình trụ trịn mẫu chuẩn hình lập phương Anh Kích thước mẫu trụ trịn Chiều cao x đường kính (mm) Hệ số quy đổi 200x100 115,5x105 127x152 1,25 1,04 0,96 - Ở CHLB Nga sử dụng mẫu trụ trịn có đường kính chiều cao 50 x 50mm cho vật liệu cỡ hạt lớn D = 5mm, 100x100mm cho trường hợp D = 25mm 150 x 150mm cho trường hợp D = 40mm BM: Đường Bài giảng: Công nghệ gia cố vật liệu rời Đối với vật liệu liên kết vô cơ, trước nén mẫu phải bảo dưỡng ẩm (ủ mạt cưa vào gần đến tuổi nén mẫu) phải ngẫm mẫu nước tĩnh 2-3 ngày đêm (mẫu lớn ngày đêm), ngày đầu cho ngập nước 1/3 chiều cao mẫu Mẫu nén tuổi mẫu quy định (7, 14 28 ngày) với tốc độ piston nén 3mm/phút (6±1) daN/cm2.sec Đối với vật liệu gia cố nhựa lỏng, quy định thử nghiệm mẫu thực với bê tông nhựa Kết thử nghiệm nén mẫu tính theo cơng thức: Rnén = P F (A1-1) Trong đó: P tải trọng nén mẫu bị phá hoại (N) F diện tích ban đầu mặt mẫu (cm2) b) Cường độ chịu kéo Đặc trưng cường độ chịu kéo vật liệu tồn khối nói chung đánh giá thơng qua thí nghiệm kéo trực tiếp sơ đồ hình A1-1 thơng qua thí nghiệm ép chẻ sơ đồ A1-2 Hình A1-1: Thí nghiệm kéo trực tiếp Hình A1-2: Thí nghiệm ép chẻ d - đường kính mẫu; t - chiều dài mẫu; p - tải trọng nén mẫu theo đường sinh; z; z – phân bố ứng suất theo phương z (thẳng góc với trục y) theo phương y (thẳng góc với trục z) Với thí nghiệm kéo trực tiếp, vật liệu gia cố chế bị thành mẫu trụ trịn có chiều cao 2,5 ÷ 3,0 lần đường kính (Chế bị bảo dưỡng mẫu theo điều kiện với mẫu BM: Đường Bài giảng: Công nghệ gia cố vật liệu rời nén); hai đầu biến dạng tương đương với cấp tải trọng kéo (daN/cm2) thông qua đát-sit đo biến dạng Trị số tải trọng kéo lớn triên biểu đồ ứng suất kéo… biến dạng cường độ kháng kéo giới hạn (ứng suất kéo tính theo cơng thức dạng công thức A1-1 thay P lực kéo) Mẫu thí nghiệp ép chẻ có đường kính d, chiều cao (dài) t với t nhỏ (thường t≤d) Nén mẫu theo đường sinh mẫu hình trụ cường độ chịu kéo giới hạn R kéoép chẻ épche Rkéo = P ⎛ daN ⎞ , ⎜ ⎟ πdt ⎝ cm ⎠ (A1-2) Trong đó: p- Lực nén lớn đạt đựơc mẫu bị phá hoại (mẫu bị tách vỡ đôi theo mẫu phá hoại d x t); = 3,1416; Theo tiêu chuẩn ngành 22TCN246-98 cát gia cố xi măng 22TCN245-98 cấp phối đá (sỏi cuội) gia cố xi măng, cường độ chịu kéo ép chẻ xác định với mẫu có d = 152mm, t = 117mm tuổi 28 ngày (có ngâm nước ngày với cát gia cố ngày với cấp phối đá gia cố) với tốc độ nén thí nghiệm nén trục nở hông tự c) Cường độ chịu kéo uốn Ngoài cách thử nghiệm xác định Tru (cường độ chịu kéo uốn giới hạn) theo 22TCN 22193 với việc sử dụng mẫu dầm 4x4x16cm theo sơ đồ gia tải dầm có 1=14cm Kích thước mẫu dầm thường nước sử dụng là: ! 5cm x 5cm x24cm (với = 30cm, h = 5cm) dùng cho mẫu đất gia cố xi măng, vôi cát gia cố nhựa lỏng; ! 10cm x 10cm x 40cm (với 1= 30cm, h = 5cm) dùng cho vật liệu hạt gia cố có cỡ hạt lớn D = 2,5 ! 15cm x 15cm x 55cm (với = 45cm, h = 15cm) dùng cho hỗn hợp gia cố có cỡ hạt lớn D = 3,5 Trong trường hợp gia tải theo sơ đồ hình 1-3 cường độ kéo uốn giới hạn Rku xác định theo cơng thức Rku = Pl Bh (A1-3) Trong b bề rộng mẫu (b = h) P tải trọng mẫu dầm bị phá hoại BM: Đường Bài giảng: Công nghệ gia cố vật liệu rời Có thể kết hợp biến dạng (độ võng mẫu dầm) để từ xác định mơđun đàn hồi kéo uốn vật liệu gia cố Hình A1 – 3: Sơ đồ gia tải mẫu uốn kiểu dầm (l - khoảng cách gối kê mẫu dầm; h - chiều cao mẫu dầm d) Cường độ chịu cắt Cường độ chịu cắt vật liệu gia cố xác định thí nghiệm nén trục với mãu trụ trịn có đường kính lớn 10cm tuỳ cỡ hạt chiều cao mẫu lớn lần đường kính Ngồi ra, xác định lực dính c vào góc nội ma sát độ chịu nén Rnén cường độ chịu kéo trực tiếp R kéo ép chẻ vật liệu gia cố theo cường Theo quan hệ sau suy từ vòng Morh biểu thị trạng thái ứng suất cắt kéo (hoặc nén) ϕ (A1-4) Rnén = 2ctg (45 + ) TT Rkéo = 2c (A1-5) ϕ tg (45 + ) c= TT R nén − Rkéo (A1-6) TT Rnén − Rkéo sin ϕ = TT Rnén + Rkéo (A1-7) RnénTT : Cường độ chịu kéo trực tiếp A.5.2 Đặc trưng mỏi vật liệu gia cố Khi vật liệu chịu tác dụng tải trọng trùng phục cường độ giới hạn giảm so với chịu tác dụng tải trọng tĩnh tác lần Hiện tượng gọi BM: Đường ... PHÁP GIA CỐ ĐẤT PHI TRUYỀN THỐNG 1.5.1 Phối hợp gia cố đất xi măng/ vôi với tro bay 1.5.2 Đất gia cố xi măng nhũ tương nhựa đường 1.5.3 Gia cố đất sử dụng phụ gia đặc biệt 48 48 49 49 CHƯƠNG 2: GIA. .. liệu rời gia cố để đảm bảo tuổi thọ cao mặt đường Có thể cấp phối đá dăm gia cố nhựa, cấp phối đá dăm gia cố xi măng, đá dăm đồng kích cỡ gia cố nhựa, gia cố xi măng, cát hạt to, cuội sỏi gia cố... bảng 1-2: Gia cố đất chất liên kết vơ cơ; Gia cố đất chất liên kết hữu cơ; Gia cố đất chất keo trùng hợp cao phân tử; Gia cố đất phương pháp tổng hợp; Gia cố đất phương pháp nhiệt; Gia cố đất