Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian thi công đến chất lượng của lớp vật liệu cấp phối đá dăm gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tô

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ NGUYỄN THANH SANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THỜI GIAN THI CÔNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG CỦA LỚP VẬT LIỆU CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ NGUYỄN THANH SANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA THỜI GIAN THI CÔNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG CỦA LỚP VẬT LIỆU CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật xây dựng công trình giao thơng NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HUỲNH PHƢƠNG NAM GVC ThS NGUYỄN BIÊN CƢƠNG Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi đƣợc thực dƣới hƣớng dẫn trực tiếp TS Huỳnh Phƣơng Nam GVC.Ths Nguyễn Biên Cƣơng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Thanh Sang MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Mở đầu CHƢƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LỚP VẬT LIỆU CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG 1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH, PHÁT TRIỂN LỚP VẬT LIỆU CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG … 1.1.1 Quá trình phát triển ứng dụng CPDD GCXM giới 1.1.2 Tình hình sử dụng CPDD.GCXM Việt Nam 10 1.2 TIÊU CHUẨN THI CÔNG VÀ NGHIỆM THU VẬT LIỆU CPDD.GCXM LÀM LỚP MĨNG ĐƢỜNG Ơ TƠ CẤP CAO……………………………… 16 1.3 THỜI GIAN THI CÔNG CHO PHÉP CỦA LỚP VẬT LIỆU CPDD.GCXM TRONG CÁC TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH 16 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1: 16 CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ THỜI GIAN ĐÔNG KẾT CỦA XI MĂNG, BÊ TÔNG XI MĂNG VÀ CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG 17 2.1 QUÁ TRÌNH THỦY HĨA CỦA XI MĂNG 17 2.1.1 Phản ứng thuỷ hoá: 17 2.1.2.Tính chất hình thành cấu trúc hồ xi măng 18 2.1.3 Giải thích trình rắn xi măng 19 2.2 THỜI GIAN ĐÔNG KẾT CỦA XI MĂNG 20 2.2.1 Thời gian đông kết xi măng: 20 2.2.2 Thời gian bắt đầu đông kết: 20 2.2.3 Thời gian kết thúc đông kết: 20 2.2.4 Cách xác định thời gian đông kết 20 2.2.5 Ý nghĩa xác định thời gian bắt đầu kết thúc đông kết xi măng 21 2.3 THỜI GIAN ĐÔNG KẾT CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG ………………….21 2.3.1 Khái niệm thời gian đông kết bê tông: 21 2.3.2 Thời gian bắt đầu đông kết hỗn hợp bê tông: 22 2.3.3 Thời gian kết thúc đông kết hỗn hợp bê tông: 22 2.3.4 Cách xác định thời gian đông kết bê tông: 23 2.4 THỜI GIAN ĐÔNG KẾT CỦA CPĐD.GCXM 23 2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 24 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THỜI GIAN THI CÔNG HỢP LÝ CỦA VẬT LIỆU CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG 25 3.1 THÍ NGHIỆM CHẤT LƢỢNG VẬT LIỆU 25 3.1.1 Xi măng: 25 3.1.1.1 Nguồn xi măng: 25 3.1.1.2 Chỉ tiêu lý xi măng: 25 3.1.2 Cấp phối đá dăm 28 3.2 THIẾT KẾ CẤP PHỐI HỖN HỢP CPĐD.GCXM(4%) VÀ QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM 32 3.2.1 Phân tích thành phần hạt cấp phối đá dăm thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn xác định độ ẩm tốt dung trọng khô lớn cho hỗn hợp CPĐD GCXM(4%) 32 3.2.1.1 Xác định thành phần hạt vẽ đƣờng cong cấp phối 32 3.2.1.2 Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn xác định độ ẩm tốt dung trọng khô lớn 34 CHẾ TẠO VÀ BẢO DƢỠNG MẪU CPĐD.GCXM (4%) 37 3.4 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN (Rn) VÀ CƢỜNG ĐỘ ÉP CHẺ (Rec) CỦA HỖN HỢP CPĐD.GCXM (4%) 38 3.4.1 Thí nghiệm xác định cƣờng độ chịu nén (Rn) 38 3.4.2 Thí nghiệm xác định cƣờng độ ép chẻ (Rec) 43 3.5 Kết luận: 48 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 49 KẾT LUẬN 49 KIẾN NGHỊ VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: WL : Giới hạn chảy WP : Giới hạn dẻo IP : Chỉ số dẻo γkmax : Dung trọng khô lớn Wopt : Độ ẩm tốt P : Tải trọng phá hoại mẫu F : Tiết diện ngang trung bình mẫu D : Đƣờng kính mẫu h : Chiều cao mẫu W : Độ ẩm mẫu đất trạng thái khô W0 : Độ ẩm đất lúc lấy mẫu M0 : Khối lƣợng đất đƣợc sử dụng để thí nghiệm W1 : Độ ẩm cho trƣớc cần phải chế bị γw : Khối lƣợng thể tích đất Rn : Độ bền nén trạng thái khô Rec : Cƣờng độ ép chẻ CÁC CHỮ VIẾT TẮT: LA : Los Angeles AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Kết thí nghiệm tiêu lý xi măng 25 Bảng 3.2: Các tiêu yêu cầu cấp phối đá dăm 29 Bảng 3.3: Kết thí nghiệm xác định giới hạn chảy CPĐD (WL) 31 Bảng 3.4: Kết thí nghiệm xác định giới hạn dẻo CPĐD (WD) 32 Bảng 3.5 Yêu cầu thành phần hạt CPĐD.GCXM [1] 32 Bảng 3.6: tổng hợp thành phần hạt CPĐD Dmax=31,5 33 Bảng 3.7: Thí nghiệm xác định khối lƣợng thể tích ẩm mẫu CPĐD.GCXM (4%) 35 Bảng 3.8: Thí nghiệm xác định độ ẩm tối ƣu (W) mẫu CPĐD.GCXM (4%) 35 Bảng 3.9 Kết thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn 36 Bảng 3.10 Thời gian trộn mẫu + ủ mẫu + đầm nén mẫu CPĐD.GCXM (4%) 37 Bảng 3.11 Kết thí nghiệm cƣờng độ chịu nén (Rn) ngày tuổi khác 39 Bảng 3.12 Kết thí nghiệm cƣờng độ ép chẻ (Rec) 44 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấp phối đá dăm gia cố xi măng đƣợc sử dụng Pháp Hình 1.2 Cấp phối đá dăm gia cố xi măng đƣợc sử dụng Mỹ Hình 1.3 Xây dựng đƣờng ô tô băng BTĐL thành phố Atlanta (Hoa Kỳ), 2004 Hình 1.4 Thi công mặt đƣờng BTĐL đƣợc rải máy rải thơng thƣờng Hình 1.5 Cấp phối đá dăm gia cố xi măng cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi 11 Hình 1.6 Đƣờng Lê Văn Hiến 17 Hình 1.7 Đƣờng Lê Trọng Tấn 12 Hình 1.8: Đƣờng 2-9 12 Hình 1.9 CPĐD.GCXM đƣợc sử dụng dự án cải tạo đƣờng 2-9, Đà Nẵng 13 Hình 1.10 Đƣờng 2-9, TP Đà Nẵng sau đƣợc cải tạo 13 Hình 1.11 Hƣ hỏng đƣờng Quốc lộ 14 Hình 1.12 Thi cơng CPĐD.GCXM Quốc lộ mở rộng 15 Hình 2.1 - Sơ đồ cấu tạo dụng cụ thử xuyên 22 Hình 2.2 Biểu đồ thời gian đơng kết hỗn hợp bê tơng 23 Hình 3.1 Xi măng Sông Gianh 25 Hình 3.2 Thí nghiệm khối lƣợng riêng xi măng 26 Hình 3.3 Hình ảnh thí nghiệm thời gian ngƣng kết kết thúc ngƣng kết 27 Hình 3.4 Uốn nén mẫu vữa xi măng 27 Hình 3.5 Tập kết cấp phối đá dăm (mỏ đá Hố Chuồng) phòng thí nghiệm trƣờng Đại học Bách khoa Đà Nẵng 28 Hình 3.6 Cấp phối đá dăm (mỏ đá Hố Chuồng) 28 Hình 3.7 Thí nghiệm độ hao mòn Los-Angeles 30 Hình 3.8 Thí nghiệm lƣợng hạt thoi dẹt cấp phối đá dăm 30 Hình 3.9 Bộ dụng cụ thí nghiệm xác định WL WD 31 Hình 3.10 Đƣờng cong cấp phối cấp phối đá dăm (Dmax = 31,5mm) 33 Hình 3.11 Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn CPĐD.GCXM (4%) 34 Hình 3.12 Đƣờng cong đầm nén tiêu chuẩn CPĐD.GCXM(4%) 36 Hình 3.13 Đầm nén tạo mẫu chuẩn bị bảo dƣỡng ngâm mẫu CPĐD.GCXM(4%) 38 Hình 3.14 Thí nghiệm nén mẫu để xác định cƣờng độ chịu nén 38 Hình 3.15 Biểu đồ tƣơng quan cƣờng độ chịu nén với 39 Hình 3.16 Biểu đồ tƣơng quan cƣờng độ chịu nén tuổi 07 ngày với tổng thời gian trộn mẫu + ủ mẫu +đầm nén mẫu 40 Hình 3.17 Biểu đồ tƣơng quan cƣờng độ chịu nén tuổi 14 ngày với tổng thời gian trộn mẫu + ủ mẫu +đầm nén mẫu 41 Hình 3.18 Biểu đồ tƣơng quan cƣờng độ chịu nén tuổi 28 ngày 41 Hình 3.19 Biểu đồ tƣơng quan cƣờng độ chịu nén thời gian nén mẫu ngày tuổi khác 42 Hình 3.20 Thí nghiệm xác định cƣờng độ ép chẻ (Rec) 43 Hình 3.21 Tƣơng quan cƣờng độ ép chẻ với tổng thời gian trộn mẫu + ủ mẫu +đầm nén mẫu 44 Hình 3.22 Tƣơng quan cƣờng độ ép chẻ tuổi 07 ngày với tổng thời gian trộn mẫu + ủ mẫu +đầm nén mẫu 45 Hình 3.23 Tƣơng quan cƣờng độ ép chẻ tuổi 14 ngày với tổng thời gian trộn mẫu + ủ mẫu + đầm nén mẫu 46 Hình 3.24 Tƣơng quan cƣờng độ ép chẻ tuổi 28 ngày với tổng thời gian trộn mẫu + ủ mẫu + đầm nén mẫu 46 Hình 3.25 Biểu đồ xác định cƣờng độ ép chẻ theo thời gian nén mẫu ngày tuổi khác 47 50 công lớp vật liệu thi cơng làm lớp móng đƣờng ô tô cấp cao mà ràng buộc thời gian đông kết xi măng 2.2 Hƣớng nghiên cứu Cần tiếp tục mở rộng nghiên cứu: - Thí nghiệm xác định thời gian thi cơng vật liệu CPĐD.GCXM mức hàm lƣợng xi măng gia cố khác (3% , 5% 6%) - Thí nghiệm xác định thời gian thi cơng vật liệu CPĐD.GCXM mức thời gian trộn mẫu + ủ mẫu + đầm nén khác - Thí nghiệm xác định thời gian thi công vật liệu CPĐD.GCXM có xét đến biến thiên nhiệt độ để phù hợp với thực tế thi công 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 8858: 2011, Móng cấp phối đá dăm cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng kết cấu áo đường ô tô – Thi công nghiệm thu [2] Tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 6017: 2015, Xi măng, phương pháp xác định thời gian đông kết độ ổn định thể tích [3] Huỳnh Phƣơng Nam, Nguyễn Thị Tuyết An & Đỗ Thị Phƣợng – Vật liệu xây dựng đại cương- Nhà xuất xây dựng, 2016 [4] Quyết định 858/QĐ-BGTVT ngày 26/3/2014 Bộ Giao thông vận tải việc “ Ban hành hướng dẫn áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hành nhằm tăng cường quản lý chất lượng thiết kế thi công mặt đường bê tơng nhựa nóng tuyến đường tơ có quy mơ giao thơng lớn” [5] Tiêu chuẩn Quốc gia, TCVN 9338:2012, hỗn hợp bê tông nặng – Phương pháp xác định thời gian đông kết [6] Bộ Giao thông vận tải, 22 TCN 245 –98, Quy trình thi cơng nghiệm thu lớp cấp phối đá (sỏi cuội) gia cố xi măng kết cấu đường ô tô [7] Bộ Giao thông vận tải, 22 TCN 333 –06, Quy trình đầm nén đất, đá dăm phịng thí nghiệm [8] TCVN 4198–2014, Đất xây dựng – Phương pháp phân tích thành phần hạt phịng thí nghiệm [9] TCVN 4197–2012, Đất xây dựng – Phương pháp xác định giới hạn chảy giới hạn dẻo phịng thí nghiệm [10] Tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 8862: 2011, Quy trình thí nghiệm xác định cường độ kéo ép chẻ vật liệu hạt liên kết chất kết dính [11] PGS.TS Bùi Phú Doanh, ThS Ngô Lâm, Khảo sát ảnh hưởng độ ẩm công đầm nén tới cường độ cấp phối đá dăm gia cố xi măng công tác xây dựng đường ô tô, Báo khoa học công nghệ số 11-2014 [12] Gregory E Halsted, David R Luhr, Wayne, S Adaska Guide to cement – Treated Base (CTB) [13] California Department of Transportation Construction Manual July 2017 [14] Korakod Nusit and Peerapong Jitsangiam by Damage Behavior of Cement – Treated Base Material PHỤ LỤC THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU Xi măng: - Loại xi măng làm thí nghiệm: Xi măng PCB40 Sơng Gianh - Thí nghiệm lý xi măng: 1.1 Khối lƣợng riêng (P): đơn vị g/cm3 (TCVN 4030:2003) P mxm Vd Trong đó: mxm: Khối lƣợng mẫu xi măng đem thử (g) Vd: Thể tích dầu chiếm chỗ xi măng (cm3) Kết giá trị trung bình hai lần thử không sai khác 0,02 (g/cm3) đƣợc lấy xác đến 0,01g Kết thí nghiệm: Bảng Kết thí nghiệm khối lượng riêng xi măng Mẫu số KL mẫu (g) Vạch chia ban đầu bình tỷ trọng chứa dầu Vạch chia KLR Sai KLR của bình tỷ XM/từng khác mẫu TN trọng chứa mẫu (g/cm3) (g/cm3) (g/cm3) dầu + mẫu 65 20,9 3,11 65 21 3,095 0,015 3,1 Vậy kết hai lần thí nghiệm không lệch 0,02 (g/cm3) nên khối lƣợng riêng xi măng đƣợc xác định 3,1 (g/cm3) 1.2 Độ dẻo tiêu chuẩn hồ xi măng (TCVN 6017 -2015) Kết thí nghiệm: Bảng Kết thí nghiệm độ dẻo tiêu chuẩn hồ xi măng Khối lƣợng mẫu (g) 500 Lƣợng nƣớc Dùng kim Vica Kim Vica cách Lƣợng nƣớc sử dụng (ml) có kích thƣớc đáy (mm) tiêu chuẩn (mm) (%) 155 10 31 1.3 Thời gian ngƣng kết thời gian kết thúc ngƣng kết (TCVN 6017 - 1995) Kết thí nghiệm: Bảng 3.3 Kết thí nghiệm thời gian bắt đầu ninh kết Kim Vica có Thời gian bắt đầu kích thƣớc cho nƣớc vào xi (mm) măng (giờ, phút) 1.13 Thời gian kim Kim Thời gian Vica đạt độ cắm Vica bắt đầu ninh kết (giờ, sâu cách đáy (giờ, phút) (mm) phút) 12h50 15h05 Bảng Kết thí nghiệm thời gian kết thúc ninh kết Kim Vica có kích thƣớc (mm) Thời gian bắt đầu cho nƣớc vào xi măng (giờ, phút)  1.13 +  12h50 Thời gian kim Vica đạt độ cắm sâu (giờ, phút) Thời gian kết thúc ninh kết (giờ, phút) 30 phút 17h20 1.4 Thử độ bền uốn độ bền nén (TCVN 6017 - 1995) Tính cƣờng độ chịu uốn, Ru(N/mm2): Ru  1, 5xPu xl ( N / mm2 ) b đó: Pu: Tải trọng đặt lên mẫu bị gãy l: Khoảng cách gối đặt lực b: Cạnh tiết diện mẫu * Giới hạn bền uốn nén tuổi ngày: Bảng Kết thí nghiệm giới hạn bền uốn tuổi ngày Kích Giới hạn Giới hạn Khoảng Chiều cao Bề rộng Tải trọng Kí hiệu thƣớc bền uốn bền uốn cách gối mẫu uốn mẫu uốn phá hoại mẫu mẫu mẫu tổ mẫu uốn (mm) (mm) (mm) (N) (mm) (N/mm2) (N/mm2) 40x40 x160 100 39,5 40,5 2216 39,5 41 2113 4,598 39,5 39,5 2102 5,11 4,9 Bảng Kết thí nghiệm giới hạn bền nén tuổi ngày Kí hiệu mẫu Tiết diện nén (mm2) Tải trọng phá hoại (N) Giới hạn bền nén mẫu (N/mm2) Sai khác (%) 1.1 1600 48.458 30,28 11,4 1.2 1600 37.929 25,71 5,4 2.1 1600 45.980 28,74 5,7 2.2 1600 40.689 25,43 6,5 3.1 1600 40.461 25,29 3.2 1600 44.296 27,68 1,8 Giới hạn bền nén tổ mẫu (N/mm2) 26,57 Vì mẫu thử (1.1) có sai khác 11,4% so với giá trị trung bình nên loại bỏ kết mẫu (1.1) Vậy giới hạn bền nén tổ mẫu R3 là: 26,57 (N/mm2) * Giới hạn bền uốn nén tuổi 28 ngày: Bảng Kết thí nghiệm giới hạn bền uốn tuổi 28 ngày Khoảng Kích thƣớc cách gối mẫu uốn (mm) (mm) Chiều Bề rộng Giới hạn cao Tải trọng mẫu bền uốn mẫu phá hoại uốn mẫu (N) uốn (mm) (N/mm2) (mm) 40 40 2521 5,91 40x40x160 100 40 40 3879 9,09 40 40 2774 6,5 Bảng Kết thí nghiệm giới hạn bền nén tuổi 28 ngày Kí hiệu Tiết diện nén (mm2) mẫu 1.1 1.2 2.1 2.2 3.1 3.2 1600 1600 1600 1600 1600 1600 Tải trọng phá hoại (N) 82.563 65.344 73.543 77.265 79.006 76.767 Giới hạn bền nén mẫu (N/mm2) 51,6 40,84 45,96 48,29 49,38 47,98 Giới hạn bền uốn tổ mẫu (N/mm2) 7.16 Sai khác (%) Giới hạn bền nén tổ mẫu (N/mm2) 8,99 13,7 2,9 4,3 1,3 48,64 Vì mẫu thử (1.2) có sai khác 13,7% so với giá trị trung bình nên loại bỏ kết mẫu (1.2) Vậy giới hạn bền nén tổ mẫu R28 là: 48,64 (N/mm2) * Kết luận: Xi măng Sông Gianh PCB40 đạt yêu cầu để sử dụng làm thí nghiệm chế tạo bê tông Cấp phối đá dăm: Cấp phối đá dăm lấy mỏ đá Hố Chuồng, Phƣờng Hòa Khánh, TP Đà Nẵng - Thí nghiệm tiêu lý cấp phối đá dăm 2.1 Thí nghiệm độ hao mòn Los-Angeles cốt liệu (LA)[TCVN 7572-12:2006] Độ hao mòn Los Angles (viết tắt L.A) tiêu thí nghiệm phản ánh khả chịu mài mòn va đập cốt liệu Thí nghiệm đƣợc thực thùng quay LA có kết cấu thép, hình trụ ống rỗng (xem Hình 2.8 Hình 2.9.), mẫu thí nghiệm chịu tác va đập mài mòn thùng quay đựng mẫu cốt liệu bi thép sau cho máy quay 500 vòng với tốc độ từ 30 đến 33vòng/phút * Tính kết (Điểm 7, TCVN 7572-12:2006): Độ hao mòn va đập (Hm) hao hụt khối lƣợng mẫu trƣớc sau thử, tính phần trăm khối lƣợng, theo công thức: Hm = m  m1 X 100 m - m: Khối lƣợng ban đầu: m = 5.000g - m1: Khối lƣợng mẫu sau thử m1= 3.543,9g Vậy Hm = 29,12% So sánh với quy định bảng 2, mục 6.3 TCVN 8859:2011 H m = 29,12%