Nghiên cứu sử dụng cốt liệu đá quartzite ở thanh sơn, phú thọ để chế tạo bê tông xi măng mặt đường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI NGƠ HỒI THANH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE Ở THANH SƠN - PHÚ THỌ ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƢỜNG Chuyên ngành: Xây dựng đƣờng ô tô đƣờng thành phố Mã ngành: 9.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI NGƠ HỒI THANH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE Ở THANH SƠN - PHÚ THỌ ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƢỜNG Chuyên ngành: Xây dựng đƣờng ô tô đƣờng thành phố Mã ngành: 9.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS PHẠM DUY HỮU HÀ NỘI 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết luận án trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tác giả luận án Ngơ Hồi Thanh ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hƣớng dẫn GS.TS Phạm Duy Hữu tận tình hƣớng dẫn định hƣớng khoa học, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác giả suốt trình học tập, nghiên cứu để hồn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn giáo sƣ, phó giáo sƣ, tiến sỹ, chuyên gia, nhà khoa học nghành GTVT Xây dựng dẫn đóng góp ý kiến quý báu để luận án đƣợc hoàn thiện Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn quý quan tạo điều kiện giúp đỡ: Trƣờng Đại học Giao thông vận tải, Trƣờng Đại học Xây dựng, Trƣờng Đại học Công nghệ Giao thông vận tải, Ủy ban nhân dân huyện Thanh Sơn, Ban giám đốc mỏ đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ Trong trình học tập nghiên cứu Trƣờng Đại học Giao thông vận tải, tác giả xin đƣợc trân trọng cảm ơn: Ban Giám hiệu nhà trƣờng, phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Cơng trình, Bộ mơn Đƣờng bộ, Bộ mơn Vật liệu Xây dựng Tác giả xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Công nghệ Giao thông vận tải, lãnh đạo Cơ sở Vĩnh Phúc, lãnh đạo Khoa Cơng trình, Bộ mơn Đo đạc Khảo sát Cơng trình, Trung tâm thí nghiệm Đƣờng cao tốc quan tâm tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu Cuối tác giả xin đƣợc cảm ơn ngƣời thân gia đình, anh em, bạn bè động viên, chia sẻ suốt thời gian thực luận án Tác giả luận án Ngơ Hồi Thanh iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Sự cần thiết việc nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu luận án Phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Cấu trúc luận án Những đóng góp luận án CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG LÀM ĐƢỜNG VÀ SỬ DỤNG ĐÁ QUARTZITE TRONG BÊ TÔNG 1.1 Lịch sử phát triển kết cấu mặt đƣờng BTXM 1.2 Khái quát chung bê tông xi măng 1.3 Cấu trúc bê tông xi măng 1.3.1 Sự hình thành cấu trúc bê tơng 1.3.2 Cấu trúc vĩ mô, cấu trúc vi mô cấu trúc nano 1.4 Quy định tính bê tông xi măng làm đƣờng 10 1.4.1 Quy định cốt liệu chế tạo bê tông xi măng 10 1.4.2 Quy định tính bê tông xi măng làm đƣờng 11 1.5 Khái quát phƣơng pháp thiết kế thành phần BTXM 12 1.5.1 Phƣơng pháp thiết ế thành phần BTXM theo ACI 211.1.91 12 1.5.2 Thiết ế thành phần BTXM theo phƣơng pháp Bolomey-Skramtaev 18 1.5.3 Sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm xác định yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ bê tơng xi măng làm đƣờng, tính tốn tỷ lệ N/X 20 1.6 Nghiên cứu đặc điểm địa lý, địa hình đặc điểm địa chất mỏ đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ 20 1.7 Các nghiên cứu đá quartzite bê tông xi măng mặt đƣờng sử dụng đá quartzite 25 1.7.1 Các nghiên cứu đá quartzite bê tông xi măng mặt đƣờng sử dụng đá quartzite giới 25 1.7.2 Các nghiên cứu đá quartzite bê tông xi măng mặt đƣờng sử dụng đá quartzite Việt Nam 33 1.8 Kết luận chƣơng định hƣớng nghiên cứu luận án 34 1.8.1 Kết luận chƣơng 34 iv 1.8.2 Định hƣớng nghiên cứu luận án 35 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE Ở THANH SƠN, PHÚ THỌ VÀ CÁC VẬT LIỆU KHÁC 36 2.1 Khái quát chung cốt liệu 36 2.2 Hệ thống hai thác đá quartzite 38 2.2.1 Cơ sở lựa chọn hệ thống hai thác đá quartzite 38 2.2.2 Phƣơng án hai thác đá quartzite 38 2.3 Công nghệ chế biến đá quartzite 39 2.3.1 Cơ sở để lựa chọn công nghệ chế biến đá quartzite: 39 2.3.2 Sơ đồ công nghệ lựa chọn tiêu èm 39 2.4 Phân tích thành phần hóa học đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ 40 2.5 Vật liệu chế tạo mặt đƣờng BTXM sử dụng đá quartzite 42 2.5.1 Xi măng 42 2.5.2 Cốt liệu lớn cốt liệu nhỏ 44 2.6 Vật liệu chế tạo BTXM sử dụng đá vôi 58 2.6.1 Cốt liệu lớn đá vôi 5x20 mỏ Minh Quang, Vĩnh Phúc (dùng để đối chứng) 58 2.6.2 Cốt liệu nhỏ cát Sơng Lơ, Việt Trì, Phú Thọ 60 2.7 Kết luận chƣơng 62 CHƢƠNG THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG XI MĂNG LÀM MẶT ĐƢỜNG Ô TÔ SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE THANH SƠN, PHÚ THỌ VÀ XÁC ĐỊNH CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN, CƢỜNG ĐỘ KÉO UỐN, MÔ ĐUN ĐÀN HỒI 63 3.1 Thiết kế thành phần bê tông xi măng làm mặt đƣờng ô tô sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ 63 3.1.1 Sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm xác định yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ bê tơng xi măng làm đƣờng, tính tốn tỷ lệ N/X 63 3.1.2 Thí nghiệm xác định cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ kéo uốn, mô đun đàn hồi bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi mỏ Minh Quang, Vĩnh Phúc 79 3.1.3 Thiết ế thành phần bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn-Phú Thọ theo phƣơng pháp ACI 211.1.91 [34] 81 3.1.4 Kết luận chƣơng 89 v CHƢƠNG NGHIÊN CỨU HỆ SỐ GIÃN NỞ NHIỆT CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG, NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE THANH SƠN, PHÚ THỌ 91 4.1 Tính ứng xử nhiệt bê tông xi măng mặt đƣờng 91 4.1.1 Tổng quan hiệu ứng nhiệt (tác động nhiệt độ) 91 4.1.2 Cơ sở mô tả nhiệt độ 91 4.1.3 Điều kiện biên 92 4.1.4 Mơ hình trao đổi nhiệt số liệu đầu vào 95 4.2 Tính toán hệ số giãn nở nhiệt 96 4.2.1 Hệ số giãn nở nhiệt hồ xi măng 96 4.2.2 Hệ số giãn nở nhiệt cốt liệu 97 4.2.3 Hệ số giãn nở nhiệt bê tông 98 4.2.4 Hệ số giãn nở nhiệt bê tông xi măng theo tài liệu [58] 99 4.3 Ứng suất mặt đƣờng bê tông xi măng 102 4.3.1 Ứng suất mặt đƣờng bê tông xi măng giai đoạn tuổi sớm 102 4.3.2 Ứng suất bê tông theo tiêu chuẩn hành 105 4.4 Cơng thức tính hệ số giãn nở nhiệt bê tông xi măng theo AASHTO TP 60 (2006) [32] 105 4.5 Thí nghiệm xác định biến dạng hệ số giãn nở nhiệt bê tông xi măng theo AASHTO TP 60 ( 2006 ) 107 4.5.1 Thiết bị thí nghiệm 107 4.5.2 Giới thiệu máy đo biến dạng 107 4.5.3 Chuẩn bị mẫu thử 109 4.5.4 Trình tự thí nghiệm 110 4.6 Kết thí nghiệm: 116 4.7 Phân tích kết thí nghiệm 116 4.8 Phân tích ảnh hƣởng ích thƣớc BTXM, cốt liệu đá quartzite đến cƣờng độ ứng suất nhiệt mặt đƣờng bê tông xi măng 118 4.8.1 Tính tốn thiết kế BTXM mặt đƣờng 118 4.8.2 Tính tốn với BTXM có ích thƣớc 4,5m x 3,5m x 0,25m sử dụng cốt liệu đá vôi 120 vi 4.8.3 Tính tốn với BTXM có ích thƣớc 4,5m x 3,5m x 0,25m sử dụng cốt liệu đá quartzite 122 4.9 Phân tích kết 125 4.9.1 Phân tích ảnh hƣởng cốt liệu đến phát triển cƣờng độ bê tông 125 4.9.2 Phân tích ảnh hƣởng cốt liệu đến phát triển ứng suất nhiệt 126 4.9.3 Phân tích ảnh hƣởng ích thƣớc đến khả háng nứt mặt đƣờng bê tông xi măng 126 4.9.4 Kết luận 129 4.10 Phân tích hiệu kinh tế, kỹ thuật mặt đƣờng BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ 130 4.10.1 Khả đáp ứng cƣờng độ 130 4.10.2 Phân tích hiệu kinh tế 130 4.11 Kết luận chƣơng 132 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP 135 Kết luận 135 Kiến nghị hƣớng nghiên cứu tiếp 136 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ I TÀI LIỆU THAM KHẢO II vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các tiêu lý bê tông độ sụt hỗn hợp BTXM làm đƣờng 11 Bảng 1.2 Độ sụt đề suất cho loại cơng trình xây dựng 13 Bảng 1.3 Lƣợng nƣớc nhào trộn sơ hàm lƣợng bọt khí yêu cầu cho độ sụt Dmax cốt liệu khác 14 Bảng 1.4 Quan hệ tỷ lệ nƣớc-xi măng cƣờng độ chịu nén bê tông 15 Bảng 1.5 Thể tích cốt liệu lớn đơn vị thể tích bê tơng 16 Bảng 1.6 Khối lƣợng thể tích sơ hỗn hợp bê tông ban đầu 17 Bảng 1.7 Hƣớng dẫn chọn độ sụt đề xuất cho bê tông 18 Bảng 1.8 Hệ số tra A A' theo TCVN9382:2012 [15] 19 Bảng 1.9 Tọa độ hu thăm dị diện tích 22 Bảng 1.10 Thành phần hóa học đá quartzite phong hóa 24 Bảng 1.11 Thành phần hố học đặc tính lý đá quartzite vỉa 25 Bảng 1.12 Tính chất khối lƣợng cốt liệu 30 Bảng 1.13 Đặc điểm AIMS cốt liệu 30 Bảng 1.14 Năng lƣợng bề mặt, mô đun CTE cốt liệu 31 Bảng 1.15 Hệ số giãn nở nhiệt loại đá hác 32 Bảng 1.16 Các loại đá xây dựng 33 Bảng 1.17 Bảng kết tiêu khống hóa 34 Bảng 2.1 Bảng kết phân tích tồn phần thành phần hóa học đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ 41 Bảng 2.2 Cƣờng độ nén cƣờng độ kéo uốn xi măng dùng làm mặt đƣờng bê tông xi măng 42 Bảng 2.3 Các tiêu hóa, lý xi măng dùng làm mặt đƣờng BTXM 42 Bảng 2.4 Kết phân tích thành phần hạt đá quartzite 5x20 46 Bảng 2.5 Khối lƣợng riêng, độ hút nƣớc cốt liệu lớn đá quartzite 47 Bảng 2.6 Khối lƣợng thể tích xốp cốt liệu lớn đá quartzite 47 Bảng 2.7 Hàm lƣợng thoi dẹt cốt liệu lớn đá quartzite 48 Bảng 2.8 Độ hao mòn LosAngeles 49 Bảng 2.9 Độ nén dập hệ số hóa mềm 50 Bảng 2.10 Bảng xác định cƣờng độ chịu nén đá gốc 50 viii Bảng 2.11 Hàm lƣợng hạt mềm yếu, phong hóa 51 Bảng 2.12 Hàm lƣợng bụi, bùn, sét 52 Bảng 2.13 Bảng tổng hợp ết thí nghiệm tiêu kỹ thuật đá quartzite 52 Bảng 2.14 Kết phân tích thành phần hạt cát quartzite 53 Bảng 2.15 Khối lƣợng riêng, độ hút nƣớc cát quartzite 55 Bảng 2.16 Khối lƣợng thể tích xốp cát quartzite 56 Bảng 2.17 Hàm lƣợng bụi, bùn, sét 56 Bảng 2.18 Bảng tổng hợp ết thí nghiệm cát quartzite 57 Bảng 2.19 Kết phân tích thành phần hạt đá vơi 5x20 59 Bảng 2.20 Bảng tổng hợp ết tiêu kỹ thuật đá vôi 60 Bảng 2.21 Kết phân tích thành phần hạt cát Sông Lô 61 Bảng 2.22 Bảng tổng hợp ết thí nghiệm cát Sơng Lô 62 Bảng 3.1 Giá trị khoảng biến thiên yếu tố ảnh hƣởng 64 Bảng 3.2 Bảng kế hoạch thực nghiệm tƣơng quan mã thực biến mã hóa 65 Bảng 3.3 Kế hoạch thực nghiệm tâm 65 Bảng 3.4 Thành phần vật liệu hỗn hợp 66 Bảng 3.5 Thành phần vật liệu hỗn hợp 66 Bảng 3.6 Thành phần vật liệu hỗn hợp 67 Bảng 3.7 Thành phần vật liệu hỗn hợp 67 Bảng 3.8 Thành phần vật liệu hỗn hợp 68 Bảng 3.9 Kết độ sụt theo quy hoạch thực nghiệm 69 Bảng 3.10 Kết cƣờng độ chịu nén bê tông 72 Bảng 3.11 Kết cƣờng độ kéo uốn bê tông 73 Bảng 3.12 Mô đun đàn hồi bê tông đá quartzite 75 Bảng 3.13 Bảng kế hoạch thực nghiệm tƣơng quan mã thực biến mã hóa 75 Bảng 3.14 Kế hoạch thực nghiệm tâm 76 Bảng 3.15 Cƣờng độ chịu nén bê tông đá vôi 80 Bảng 3.16 Cƣờng độ éo uốn bê tông đá vôi 80 Bảng 3.17 Mô đun đàn hồi bê tông đá vôi 80 Bảng 3.18 Thành phần vật liệu hỗn hợp bê tông cấp 40 83 Bảng 3.19 Kết độ sụt 84 Bảng 3.20 Kết cƣờng độ chịu nén bê tông cấp 40 85 ... hƣởng đến cƣờng độ bê tông xi măng làm đƣờng sử dụng cốt liệu đá quartzite rắn Thanh Sơn, Phú Thọ thiết ế thành phần bê tông xi măng làm đƣờng sử dụng cốt liệu đá quartzite rắn Thanh Sơn, Phú Thọ. .. chung cốt liệu giúp tác giả nhận biết đƣợc loại cốt liệu thành phần bê tông xi măng Để nghiên cứu sử dụng cốt liệu đá quartzite mỏ Thanh Sơn, Phú Thọ nhƣ loại vật liệu chế tạo bê tông xi măng mặt. .. nghệ khai thác chế tạo cốt liệu từ đá quartzite rắn Thanh Sơn, Phú Thọ để làm cốt liệu cho bê tông xi măng mặt đƣờng Nghiên cứu đặc tính cốt liệu đá quartzite rắn Thanh Sơn, Phú Thọ - Dùng phƣơng