Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học và khả năng ứng dụng bê tông cát để xây dựng đường ô tô ở việt nam

Luận văn

Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học giao thông vận tải ------------- ------------- Nguyễn Thanh sang Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học và khả năng ứng dụng bê tông cát để xây dựng đờng ô tô ở Việt nam Chuyên ngành : Xây dựng đờng ô tô và đờng thành phố Mã số : 62.58.30.01 Tóm tắt Luận án tiến sĩ kỹ thuật hà nội - 2011 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS Phạm Duy Hữu 2. GS.TS Nguyễn Xuân Đào Phản biện 1: GS.TSKH. Nguyễn Xuân Trục Phản biện 2: GS.TS. Nguyễn Mạnh Kiểm Phản biện 3: GS.TSKH. Phùng Văn Lự Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi …. giờ …. ngày …. tháng …. năm …… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Quốc gia 2. Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải - 3 - MỞ ĐẦU Tính cần thiết của Luận án Bê tông xi măng (BTXM) là vật liệu chính được sử dụng trong xây dựng hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Theo các tiêu chuẩn hiện hành [TCVN 7570:2006] cốt liệu sử dụng cho BTXM bao gồm hỗn hợp của cốt liệu lớn (đá dăm, sỏi) và cốt liệu nhỏ (cát), trong đó loại cát được sử dụng phổ biến nhất có cỡ hạt từ 0.14 đến 5 mm và mô đun độ lớn từ 2.05 đến 3.25. Các loại cát mịn không thỏa mãn yêu cầu trên vẫn chưa được sử dụng cho các loại BTXM kết cấu. Bê tông cát là một loại BTXM trong đó hỗn hợp cốt liệu sử dụng bao gồm cát (cỡ hạt lớn nhất danh định, D max , bằng 5 mm) và bột khoáng mịn. Như vậy, so với BTXM thường thì đá dăm hoặc sỏi không được sử dụng. Đồng thời, bột mịn được bổ sung nhằm dịch chuyển dải cấp phối cốt liệu, qua đó tăng cường độ đặc cho hỗn hợp cốt liệu. Với đặc điểm hỗn hợp cốt liệu như trên, bê tông cát dễ đảm bảo tính đồng nhất khi nhào trộn, dễ tạo hình và đầm chặt khi thi công, qua đó góp phần giảm thiểu năng lượng cần thiết trong dây chuyền công nghệ thi công. Tuy nhiên, bê tông cát cũng như một số loại bê tông đặc biệt khác chưa được nghiên cứu áp dụng. Vì vậy, việc nghiên cứu và từng bước áp dụng loại bê tông này thay thế một phần BTXM thường nhằm tận dụng nguồn tài nguyên cát khá phong phú ở Việt Nam là cần thiết. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của Luận án là bê tông cát. Phạm vi nghiên cứu của Luận án bao gồm nghiên cứu đề xuất cấp phối hỗn hợp cốt liệu sử dụng cho bê tông cát; nghiên cứu một số tính chất cơ học chủ yếu của bê tông cát; và đề xuất khả năng ứng dụng bê tông cát làm kết cấu mặt đường ở một số vùng giàu cát ở Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết dựa trên cơ sở khoa học của các nghiên cứu cùng lĩnh vực đã được công bố trên thế giới và ở Việt Nam. - 4 - Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên các mẫu thử ở trong phòng thí nghiệm dựa trên các tiêu chuẩn hiện hành. Kết quả thí nghiệm trong phòng được xử lý thống kê và quy hoạch thực nghiệm nhằm đảm bảo độ tin cậy cần thiết. Nội dung nghiên cứu • Tổng quan về nghiên cứu và ứng dụng bê tông cát trên thế giới và ở Việt Nam. • Nghiên cứu vật liệu chế tạo bê tông cát, đề xuất cấp phối cốt liệu cho bê tông cát dựa trên cơ sở lý thuyết về độ đặc. • Nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông cát dựa trên cường độ yêu cầu của bê tông và lý thuyết về độ tin cậy. Lập phần mềm thiết kế thành phần bê tông cát dựa trên nguyên tắc chèn đầy khung cốt liệu và cường độ yêu cầu của bê tông cát. • Nghiên cứu một số tính chất cơ học đặc trưng của bê tông cát sử dụng trong tính toán và thi công kết cấu đường ôtô: cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn, cường độ chịu ép chẻ, mô đun đàn hồi, khả năng chống mài mòn. • Đề xuất một số kết cấu đường ôtô bằng bê tông cát, sử dụng cho các vùng nhiều cát và hiếm đá dăm. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp, đề xuất mới của luận án Các kết quả nghiên cứu về thành phần các tính chất của bê tông cát trên cơ sở vật liệu Việt Nam đã chứng minh tính khả thi của bê tông cát để làm đường ôtô. Bê tông cát có cường độ đặc trưng từ 30 đến 40 MPa còn có thể sử dụng trong công trình xây dựng dân dụng và thủy lợi. Nội dung Luận án là những gợi ý, tài liệu tham khảo cho các kỹ sư xây dựng khi áp dụng vật liệu này vào xây dựng cơ sở hạ tầng. Nghiên cứu cấp phối cốt liệu cho bê tông cát dựa trên lý thuyết Fuller. Trong nghiên cứu, phần mềm tính toán thành phần bê tông cát đã được lập dựa trên nguyên lý tính toán độ đặc và cường độ yêu cầu. - 5 - Nghiên cứu thực nghiệm các giá trị đặc trưng về cường độ, mô đun đàn hồi, hệ số poát xông đã được xác định, để từ đó đề xuất trong tính toán kết cấu mặt đường. Sử dụng cát thô và cát mịn làm cốt liệu cho bê tông cát tạo ra khả năng tận dụng được cát mịn ở các địa phương, không sử dụng đá dăm, hy vọng sẽ đem lại hiệu quả kinh tế và giảm thiểu mức độ khai thác đá nhằm bảo vệ môi sinh. Đây là một vấn đề có tính thời sự và cấp thiết hiện nay. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CÁT 1.1 Khái niệm về bê tông cát Bê tông cát là một loại đá nhân tạo nhận được sau khi tạo hình và làm rắn chắc một hỗn hợp hợp lý bao gồm: cát thô, cát mịn, chất độn mịn, xi măng, nước, một hoặc nhiều loại phụ gia [83],[85]. Hình 1.1 Thành phần vật liệu theo thể tích đặc các loại bê tông. Chất độn mịn là thành phần quan trọng của bê tông cát. Nó có vai trò kéo dài dải cấp phối cốt liệu, nối tiếp với đường cấp phối của cát. Nhờ đó mà tăng độ đặc của khung cốt liệu và để giảm lượng xi măng. - 6 - 1.2 Nguyên tắc cấu tạo bê tông cát Bê tông cát được phân biệt với bê tông thường là có liều lượng cát lớn, không có đá dăm hoặc có nhưng liều lượng nhỏ và có thêm chất độn mịn để cải thiện cấp phối hạt của cốt liệu. Trong thực tế vật liệu bê tông cần có độ đặc cao, vì đó là đặc điểm chính của cấu tạo bê tông. Nguyên lý đầu tiên của vật liệu bê tông là cố gắng tái tạo lại một khối đá từ các loại cốt liệu. Độ đặc chắc của hỗn hợp như vậy được tạo nên sẽ được điều hòa bởi dải cấp phối của nó, nghĩa là phụ thuộc vào cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu . Sự khác biệt của thành phần bê tông thường, bê tông cát và vữa xi măng cát được trình bày ở Hình 1.2. Hình 1.2 Thành phần vật liệu theo thể tích đặc của bê tông thường, bê tông cát và vữa xi măng cát. 1.3 Các nghiên cứu và sử dụng bê tông cát trên thế giới Năm 1869 ở Ai cập, ngọn đèn biển cao 52 m ở cảng Said được xây dựng bằng bê tông cát [83]. Nhiều nước châu Âu nghiên cứu và ứng dụng bê tông cát [10],[48],[55],[80],[82] để khắc phục khó khăn về nguồn cốt liệu lớn. Đường tàu điện ngầm St. Pertersburg ở Nga được xây bằng bê tông cát [10],[83]. Các nước châu Phi sử dụng bê tông cát dựa trên các nghiên cứu của Châu Âu [33],[67]. Tiêu chuẩn ACI 506 của Viện bê tông Mỹ coi bê tông phun cốt sợi là một loại bê tông cát. Như vậy các nghiên cứu và ứng dụng của bê tông cát đã được triển khai nhiều quốc gia trên thế giới và nó đã mang lại hiệu quả kinh tế khi xây dựng ở những vùng lãnh thổ có nhiều cát. - 7 - 1.4 Nghiên cứu bê tông cát ở Việt nam. Một số tác giả trong nước đã đề xuất những cơ sở khoa học mang tính định hướng về việc nghiên cứu và ứng dụng bê tông cát trong điều kiện Việt Nam [7],[10], [15], [17], [29]. Trên cơ sở nghiên cứu của thế giới và Việt nam, tác giả đã đăng ký đề tài nghiên cứu sinh với nội dung như sau: “Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học và khả năng ứng dụng bê tông cát để xây dựng đường ôtô ở Việt Nam”. Luận án tập trung giải quyết 3 nội dung chủ yếu sau: Nghiên cứu về thành phần của bê tông cát trên cơ sở sử dụng các vật liệu sẵn có ở Việt Nam; Nghiên cứu thực nghiệm xác định cường độ đặc trưng và mô đun đàn hồi của bê tông cát; Nghiên cứu một số loại kết cấu áo đường sử dụng bê tông cát, nghiên cứu dựa trên cơ sở cường độ đặc trưng và mô đun đàn hồi xác định được. Chương 2: VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CÁT 2.1 Tổng quát vật liệu chế tạo bê tông cát Thành phần vật liệu bê tông cát gồm: cát thô, cát mịn, bột mịn, xi măng, nước và phụ gia. 2.1.1 Cát Cát là thành phần cốt liệu chính trong bê tông cát. Cát chế tạo bê tông cát có cỡ hạt từ 0đến 5mm đảm bảo thành phần hạt theo TCVN7570:2006. Bê tông cát có thể sử dụng cả cát mịn có M k <2 và có lượng hạt <0.075mm chiếm đến 10%. Cát đảm bảo độ sạch quy định của tiêu chuẩn. 2.1.2 Bột mịn Bột mịn trong thành phần của bê tông cát đóng vai trò là cốt liệu mịn, nó chèn đầy cho khung cốt liệu cát để làm giảm lượng xi măng. Bột mịn có hai loại: trơ hoặc hoạt tính. Trong nghiên cứu này bột mịn dùng bột đá vôi, là loại bột phổ biến dùng trong bê tông cát. - 8 - 2.1.3 Xi măng Xi măng là xi măng Nghi Sơn PCB40 đạt yêu cầu kỹ thuật của xi măng poóc lăng hỗn hợp theo TCVN 6260-1997. 2.1.4 Nước Nước dùng cho bê tông cát đạt TCXDVN 302:2004. 2.1.5 Phụ gia hóa học Các loại phụ gia sử dụng trong nghiên cứu của Luận án đảm bảo tương thích với loại xi măng sử dụng và thỏa mãn tiêu chuẩn hiện hành TCXDVN 325:2004. 2.1.6 Thiết kế hỗn hợp cốt liệu cho bê tông cát Để đảm bảo các tính chất cho bê tông cát thường kết hợp các cỡ hạt với mô đun độ lớn và tỷ diện tích bề mặt của hỗn hợp cát để đưa ra đường cấp phối hợp lý. Nguyên tắc phối hợp cốt liệu của bê tông cát là dựa trên độ đặc của khung cốt liệu cát nhưng vẫn đảm bảo được tính dễ thi công của hỗn hợp. Kết hợp khuyến cáo của tài liệu [68] và kinh nghiệm của các nước châu Âu thì thành phần của cốt liệu có thể lấy sai khác ±20% so với thành phần cấp phối của cát dùng cho bê tông thường. Nghiên cứu thực nghiệm với các tỷ lệ phối hợp khác nhau để khảo sát cấp phối cũng như độ đặc của hỗn hợp cốt liệu được trình bày ở Bảng 2.7 và Bảng 2.8, nghiên cứu đề xuất sử dụng cấp phối với đường cong Fuller có giá trị n= 0.36-0.5. Bảng 2.7 Thành phần cấp phối cốt liệu của bê tông cát với các tỷ lệ trộn ĐK sàng, mm Lượng lọt sàng (%) của cốt liệu Cát thô Cát mịn Bột đá vôi M7030 M6535 M6040 M5050 Fuller trung bình 0.075 0 0 90 6.30 6.30 6.30 6.30 14.23 0.15 0 8 94.7 8.87 9.27 9.59 10.35 19.71 0.3 5.5 52 98.5 25.03 27.36 29.22 33.63 27.30 0.6 22 83 100 44.54 47.59 50.03 55.83 37.82 1.18 56.5 93 100 69.77 71.59 73.05 76.52 51.97 2.36 79 96.6 100 85.40 86.28 86.98 88.65 71.98 4.75 94.5 99.9 100 96.40 96.67 96.88 97.40 100.00 9.5 100 100 100 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 Mô đun 3.43 1.68 2.70 2.61 2.54 2.38 - 9 - M k S Độ mịn 14,068 38,223 59,247 23,994 25,202 26,168 28,463 Lệch so Fuller TB 10.29 11.14 11.94 14.15 Hình 2.5 Biểu đồ thành phần cấp phối của cát thô, cát mịn và bột đá - 10 - Hình 2.6 Biểu đồ cấp phối hạt của cốt liệu dùng cho bê tông cát Bảng 2.8 Các chỉ tiêu về khối lượng đơn vị của hỗn hợp hai cát Hỗn hợp cốt liệu thử nghiệm M0 M7030 M6535 M6040 M5050 Khối lượng thể tích đầm chặt (g/cm 3 ) 1.730 1.844 1.862 1.854 1.783 Khối lượng riêng hỗn hợp ρ hh, (g/cm 3 ) 2.59 2.684 2.683 2.68 2.68 Độ đặc trung bình hỗn hợp hai cát, % 66.80 68.70 69.40 69.13 66.53 Độ đặc khi trộn thêm bột đá vôi, % 71.39 73.30 74.00 73.72 71.13 . quả nghiên cứu về thành phần các tính chất của bê tông cát trên cơ sở vật liệu Việt Nam đã chứng minh tính khả thi của bê tông cát để làm đường tô. Bê tông. tài nghiên cứu sinh với nội dung như sau: Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học và khả năng ứng dụng bê tông cát để xây dựng đường tô ở Việt Nam . Luận