7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
3.10. Kết luận chương 3
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về tính năng cơ học của 4 loại BTXM tro bay (FC15, FC20, FC25 và FC30 tương ứng với các tỷ lệ tro bay / CKD bằng 15 %, 20 %, 25 % và 30 %) thu được như sau:
(1). BTXM tro bay đã đáp ứng được các quy định đối với bê tông làm mặt đường ô tô cho đường cấp III và cấp IV trở xuống về cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn và độ sụt.
(2). So với BTXM thông thường không tro bay, sử dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô sẽ làm giảm khối lượng xi măng và đem lại những ưu điểm như sau:
- Giảm lượng lớn khí thải CO2 sinh ra từ công nghiệp sản xuất xi măng và tái sử dụng lại nguồn tài nguyên (tro bay).
- Tro bay cải thiện độ sụt của hỗn hợp nhờ đó nâng cao chất lượng công tác san rải và đầm nén mặt đường.
- Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết được kéo dài, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vận chuyển và thi công bê tông mặt đường.
- Tro bay làm giảm nhiệt thủy hóa và làm chậm thời gian đạt tới nhiệt độ lớn nhất, giúp cho mặt đường tăng cường khả năng kháng nứt ở giai đoạn tuổi sớm.
- Khi bê tông có tro bay với tỷ lệ 15 ÷ 25 % chất kết dính đã cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn đảm bảo tốc độ xe chạy; chống thấm nước giúp tăng cường độ bền cho mặt đường.
(3). Bên cạnh những ưu điểm nêu trên thì khi sử dụng BTXM tro bay làm lớp mặt đường ô tô có những hạn chế như sau:
- Khi sử dụng bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD từ 30 % trở lên thì cường độ (nén, kéo uốn và mô đun đàn hồi) thấp hơn so với bê tông xi măng thông thường không tro bay.
Chương 4
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY TRONG
KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ
Trên cơ sở kết quả thí nghiệm đã thực hiện trong Chương 3, nội dung Chương 4 nhằm phân tích khả năng ứng dụng BTXM tro bay để làm lớp mặt trên của đường ô tô, từ đó đề xuất các phương án kết cấu áo đường phù hợp.
Ở giai đoạn tuổi sớm (72 giờ sau khi đổ bê tông), mặt đường BTXM thông thường với hàm lượng xi măng cao sẽ có nguy cơ xảy ra nứt do nhiệt và co ngót. Sử dụng tro bay để thay thế một phần xi măng trong bê tông có tác dụng làm giảm ứng suất kéo, nhờ đó giảm nguy cơ xảy ra nứt trên mặt đường ô tô.
4.1. Phân tích khả năng ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô
Tải trọng ô tô và tác dụng trùng phục gây nên ứng suất kéo nguy hiểm trong bê tông, gây ra lực xung kích bề mặt đường. Bên cạnh đó, sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của môi trường làm xuất hiện biến dạng nhiệt, biến dạng co ngót và ứng suất trong bê tông. Để chịu được các tác động trên mà không bị phá hỏng thì BTXM tro bay phải có đủ cường độ cần thiết, khả năng chống mài mòn và đủ độ nhám.
4.1.1. Khả năng đáp ứng về cường độ
Cường độ là đặc tính quan trọng nhất của bê tông mặt đường và được đánh giá bằng các chỉ tiêu về cường độ chịu kéo khi uốn, chịu nén và mô đun đàn hồi.
a. Cường độ chịu kéo uốn của BTXM tro bay
Mặt đường bê tông làm việc chủ yếu là chịu uốn nên chỉ tiêu về cường độ chịu kéo uốn của vật liệu là chỉ tiêu quan trọng nhất đảm bảo khả năng chịu lực do tác động của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trường.
Với kết quả thí nghiệm đã thu được (Bảng 4.1), cường độ chịu kéo uốn (Rku) của BTXM tro bay có giá trị từ 4,67 ÷ 4,88 MPa. So sánh với các quy định kỹ thuật về thiết kế và thi công mặt đường BTXM [12],[13] thì có thể sử dụng để làm mặt đường cấp III và cấp IV trở xuống (Rku ≥ 4,5 MPa).
b. Cường độ chịu nén của BTXM tro bay
Trong các quy định về thiết kế mặt đường BTXM không đưa yêu cầu trực tiếp về cường độ nén. Tuy nhiên đây là chỉ tiêu quan trọng, có ảnh hưởng lớn và có mối quan hệ chặt chẽ với cường độ chịu kéo uốn (công thức 3.1) và mô đun đàn hồi
(công thức 3.4).
Bên cạnh đó, cường độ chịu nén nhằm đảm bảo độ ổn định chống mài mòn của mặt đường. Theo tài liệu [8], bê tông có cường độ nén lớn hơn 30 MPa sẽ đảm bảo được điều kiện ổn định chống mài mòn trong điều kiện khai thác bình thường. Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay (Bảng 4.1) có giá trị từ 44,29 ÷ 46,57 MPa, nhờ đó mặt đường có khả năng ổn định chống mài mòn.
Bảng 4.1 – Khả năng đáp ứng về cường độ
TT Chỉ tiêu BTXM tro bay, f (%) Bê tông
PC Yêu cầu 15 20 25 30
1 Cường độ kéo uốn (MPa) 4,88 4,77 4,73 4,67 5,01 ≥ 4,5 (1)
≥ 4,0 (2) 2 Cường độ nén (Mpa) 46,57 45,92 45,09 44,29 47,14 ≥36 (1)
≥30 (2) 3 Mô đun đàn hồi (GPa) 31,05 30,8 30,7 30,33 31,11 ≥ 29 (1)
≥ 27 (2)
4 Đánh giá Đáp ứng yêu cầu
Ghi chú: (1) Đường cấp III (2) Đường cấp IV, V, VI
c. Mô đun đàn hồi của BTXM tro bay
Mô đun đàn hồi là một đặc tính quan trọng, biểu hiện trực tiếp về độ cứng của kết cấu mặt đường BTXM. Mô đun đàn hồi càng lớn thì độ cứng của mặt đường càng cao và càng ít bị biến dạng. Trong quy định thiết kế mặt đường BTXM [12], mô đun đàn hồi được sử dụng trực tiếp trong tính ứng suất kéo uốn do tác dụng của tải trọng trục đơn thiết kế và ứng suất kéo uốn do gradient nhiệt độ gây ra.
Mô đun đàn hồi của BTXM tro bay chịu ảnh hưởng bởi các thành phần vật liệu và tỷ lệ phối hợp thành phần vật liệu. Trong đó tính chất của cốt liệu thô có ảnh
hưởng rất lớn đến mô đun đàn hồi. Cốt liệu thô có mô đun đàn hồi lớn thì mô đun đàn hồi của BTXM tro bay càng cao. Hình dạng và bề mặt của cốt liệu lớn cũng có ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi. Khi tỷ lệ N/X giảm thì mô đun đàn hồi tăng; bê tông càng đặc chắc thì mô đun đàn hồi càng lớn. Do đó nếu so sánh cùng cấp độ cường độ nén, thì BTXM tro bay cho giá trị mô đun đàn hồi cao hơn so với bê tông thông thường bởi vì thành phần hạt tro bay mịn hơn làm tăng độ đặc chắc của hỗn hợp.
Theo kết quả thí nghiệm (Bảng 4.1), mô đun đàn hồi của BTXM tro bay có giá trị từ 30,33 ÷ 31,05 GPa, lớn hơn so với giá trị yêu cầu được nêu trong quy định thiết kế [12] là 29,0 GPa.
4.1.2. Độ mài mòn mặt đường BTXM tro bay
Một trong những yêu cầu quan trọng đối với bê tông mặt đường ô tô là phải có khả năng chịu mài mòn cao dưới tác dụng trực tiếp của bánh xe.
Kết quả thí nghiệm (Bảng 4.2) cho thấy, độ mài mòn của BTXM với hàm lượng 15 ÷ 30 % tro bay có giá trị từ 0,207 ÷ 0,250 g/cm2, lớn hơn giá trị yêu cầu theo quy định [13]; với tỷ lệ tro bay / CKD là 20 % thì khả năng chịu mài mòn tốt nhất. Như vậy BTXM tro bay đáp ứng được khả năng chịu mài mòn cho tất cả các cấp đường.
Bảng 4.2 – Độ mài mòn mặt đường BTXM tro bay TT Chỉ tiêu BTXM tro bay, f (%) Bê tông
PC Yêu cầu 15 20 25 30
1 Độ mài mòn, Mm (g/cm2) 0,224 0,207 0,217 0,250 0,236 ≤ 0,3 (1) ≤ 0,6 (2)
2 Đánh giá Đạt yêu cầu
Ghi chú: (1) Đường cấp III (2) Đường cấp IV, V, VI
4.1.3. Khả năng chống thấm nước của BTXM tro bay
Trong các quy định kỹ thuật về thiết kế [12], thi công mặt đường BTXM [13] hiện nay chưa đưa ra yêu cầu về độ chống thấm nước. Tuy nhiên đây là một trong những yêu cầu cần thiết nhằm đảm bảo tính ổn định và bền vững cho công trình.
từ 15 ÷ 30 % có độ thấm từ 18 ÷ 22 at. là tương đương hoặc tốt hơn so với bê tông thông thường không dùng tro bay (W = 18 at.).
Bảng 4.3 – Khả năng chống thấm nước
TT Chỉ tiêu BTXM tro bay, f (%) Bê tông đối chứng PC 15 20 25 30
1 Độ thấm nước, W (at.) 20 22 21 18 18 2 Tỷ số WFC / WPC 1,11 1,22 1,17 1,00 1,00 3 So sánh Tương đương hoặc cao hơn bê tông PC
Như vậy, tro bay đã cải thiện đáng kể độ chống thấm nước cho bê tông. Tro bay có tác dụng làm giảm đáng kể tính không đồng nhất trong cấu trúc vi mô của hồ xi măng, đặc biệt làm giảm các lỗ rỗng và các tinh thể kết tinh ở vùng chuyển tiếp. Các phản ứng puzolan tạo ra các sản phẩm hydrat hóa kết tinh trong khu vực chuyển tiếp do đó làm giảm các liên kết yếu trong cấu trúc vi mô của bê tông tạo ra loại bê tông có tính bền hơn với môi trường.
4.1.4. Tính công tác của hỗn hợp BTXM tro bay
4.1.4.1. Độ sụt hỗn hợp BTXM tro bay
Thi công mặt đường BTXM không yêu cầu độ sụt cao nhưng mặt đường BTXM sẽ đạt chất lượng tốt hơn nếu trong thi công hỗn hợp bê tông được đầm nén đến độ chặt lớn nhất. Muốn vậy, hỗn hợp lúc thi công phải có độ linh động phù hợp với khả năng đầm chặt của thiết bị đầm nén theo công nghệ thi công (Bảng 4.4).
Bảng 4.4 – Độ sụt bê tông mặt đường ô tô TT Chỉ tiêu BTXM tro bay, f (%) Bê tông
PC Độ sụt yêu cầu 15 20 25 30 1 Độ sụt 0 phút, SN (mm) 47,0 53,5 59,0 64,5 42,4 10 ÷ 20 (1) 20 ÷ 40 (2) 40 ÷ 60 (3) 2 Độ sụt sau 60 phút (mm) 24,3 33,9 42,5 50,1 16,4 20 ÷ 40 (3)
(1) Công nghệ ván khuôn trượt; (2) Công nghệ thi công đơn giản [13] (3) Công nghệ thi công máy rải trên ray trong khuôn cố định [1]
Với kết quả thí nghiệm trên, độ sụt BTXM tro bay từ 47,0 ÷ 64,5 mm đã đáp ứng được với tất cả các loại công nghệ thi công như đã nêu Bảng 4.4.
Hàm lượng tro bay càng lớn thì độ sụt càng cao, cứ thêm 5 % tro bay thì độ sụt tăng thêm trung bình 5,5 mm. Bên cạnh đó, BTXM tro bay có độ sụt duy trì ổn định, tổn thất độ sụt theo thời gian giảm so với bê tông không tro bay. Sau 60 phút, độ sụt BTXM tro bay vẫn đạt được từ 24,3 ÷ 50,1 mm, điều này giúp cho quá trình san rải hỗn hợp tạo ra được sự đồng nhất cao, đáp ứng được yêu cầu khi thi công máy rải trên ray trong khuôn cố định (20 ÷ 40 mm). Trong khi đó, độ sụt của bê tông PC không đạt được yêu cầu (16,4 mm).
4.1.4.2. Thời gian đông kết chất kết dính
Thời gian đông kết chất kết dính có ý nghĩa rất quan trọng trong thi công mặt đường ô tô. Với kết quả thí nghiệm (Bảng 4.5), thời gian đông kết của chất kết dính xi măng tro bay đảm bảo yêu cầu thi công và kéo dài hơn so với chất kết dính chỉ có xi măng. Do đó cho phép kéo dài thêm thời gian vận chuyển, san rải bê tông ngay cả trong điều kiện nhiệt độ thường xuyên ở mức cao của nước ta.
Theo quy định [13], thời gian dài nhất cho phép từ khi bê tông ra khỏi buồng trộn đến khi rải xong phụ thuộc vào công nghệ rải và nhiệt độ không khí. Đặc biệt vào mùa nóng, nhiệt độ không khí trung bình trong khoảng 30 ÷ 35 0C, khả năng bê tông bị mất nước do bay hơi là rất lớn nên yêu cầu thời gian vận chuyển tối đa 0,5 ÷
0,75 giờ và đến khi rải xong là 1,0 ÷ 1,25 giờ [13]. Nếu các trạm trộn bê tông ở xa công trường thi công thì việc vận chuyển bê tông đảm bảo đến đúng thời gian quy định là rất khó khăn.
Bảng 4.5 – Thời gian đông kết chất kết dính TT Chỉ tiêu Xi măng – tro bay, f (%) Xi
măng
Thời gian yêu cầu [13] 15 20 25 30
1 Thời gian bắt đầu (phút) 137 145 154 162 125 ≥ 90 2 Thời gian kết thúc (phút) 165 175 187 197 146 ≤ 600 3 Đánh giá Đáp ứng yêu cầu và tốt hơn so với bê tông PC
4.1.5. Phân tích hiệu quả kinh tế - môi trường
Để phân tích hiệu quả kinh tế - môi trường mặt đường BTXM tro bay, giả định tuyến đường cấp III có chiều rộng mặt đường B = 7,0 m; chiều dài L = 1 km, chiều dày trung bình h = 0,25 m. Thể tích bê tông cần dùng V = 1.750 m3.
Căn cứ vào công thức thiết kế thành phần vật liệu cho 1 m3 của các loại bê tông (Bảng 2.29), tính khối lượng vật liệu cho 1 km đường như sau:
Bảng 4.6 – Bảng khối lượng vật liệu cho 1 km đường
TT Vật liệu BTXM tro bay, f (%) Bê tông
PC 15 20 25 30 1 Xi măng (tấn) 700 683 665 649 768 2 Tro bay (tấn) 128 172 222 278 0 3 Cốt liệu nhỏ (tấn) 1227 1197 1162 1118 1297 4 Cốt liệu lớn (tấn) 1936 1936 1936 1936 1936 5 Nước (m3) 301 301 301 301 301
a. Phân tích hiệu quả môi trường
Theo Hiệp hội tro bay Mỹ ACAA [47], công nghiệp sản xuất 1 tấn xi măng sẽ thải ra môi trường 1 tấn CO2. Căn cứ vào khối lượng xi măng sử dụng, tính lượng khí CO2 thải ra như trong Bảng 4.7 và biểu đồ Hình 4.1.
Bảng 4.7 – Bảng lượng khí CO2 thải ra do sản xuất xi măng
TT Chỉ tiêu BTXM tro bay, f (%) Bê tông
PC 15 20 25 30 1 Xi măng (tấn) 700,0 682,5 665,0 649,3 768,3 2 Khí CO2 sinh ra, mCO2(tấn) 700,0 682,5 665,0 649,3 768,3 3 Hiệu số mCO2(FC)−mCO2(PC), (tấn) - 68,3 - 85,8 - 103,3 - 119,0 0 4 Tỷ lệ mCO2(FC)/mCO2(PC), (%) 91,1 88,8 86,6 84,5 100
Như vậy cứ 1 km đường nếu sử dụng BTXM tro bay sẽ giảm được từ 68, 3 ÷ 119 tấn CO2 so với BTXM thông thường, tương đương giảm được từ 8,9 ÷ 15,5 %
lượng khí CO2 thải ra môi trường. Đồng thời đã tái sử dụng lại từ 128 ÷ 278 tấn tro bay từ nguồn từ tài nguyên than đá.
Hình 4.1. Biểu đồ lượng khí CO2 thải ra môi trường
b. Phân tích hiệu quả kinh tế
Phân tích với các yếu tố về công nghệ thi công, máy móc nhân lực, quản lý là như nhau, chỉ tiến hành đánh giá về mặt giá thành vật liệu với đơn giá tại khu vực Hà Nội ở thời điểm quý II năm 2016 thu được kết quả như Bảng 4.8.
Bảng 4.8 – Bảng giá thành vật liệu BTXM tro bay (triệu đồng)
TT Vật liệu Đơn giá BTXM tro bay, f (%) Bê tông PC 15 20 25 30 1 Xi măng (tấn) 1,500 1.050 1.024 998 974 1.152 2 Tro bay (tấn) 0,700 89 120 156 195 0 3 Cốt liệu nhỏ (tấn) 0,232 196 191 186 179 207 4 Cốt liệu lớn (tấn) 0,246 297 297 297 297 297 5 Nước (m3) 0,01 3 3 3 3 3 Tổng cộng 1.638 1.639 1.639 1.640 1.660
Theo Bảng 4.8, tuy khối lượng xi măng giảm đi nhưng đồng thời khối lượng tro bay tăng lên. Vì vậy, giá thành vật liệu bê tông của 4 loại BTXM tro bay là gần như nhau và tương đương với BTXM thông thường.
4.1.6. Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường
cải thiện tính công tác, khả năng chống thấm nước, giảm khối lượng xi măng và giảm khí thải CO2 so với bê tông xi măng thông thường.
Bên cạnh đó, bằng việc lựa chọn thành phần vật liệu phù hợp, từ kết quả thí nghiệm cho thấy BTXM tro bay hoàn toàn có khả năng đáp ứng các yêu cầu để làm lớp mặt đường ô tô. Tùy theo cấp đường và theo cấp quy mô giao thông (nặng, trung bình và nhẹ), đề xuất áp dụng các loại BTXM tro bay như trong Bảng 4.9.
Bảng 4.9 – Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường
TT Chỉ tiêu BTXM tro bay, f (%) Đáp ứng yêu cầu
15 20 25 30
1 Độ sụt, mm 47,0 53,5 59,0 64,5 ≥ (20÷60) 2
Thời gian bắt đầu
đông kết, phút 137 145 154 162 (90÷600) Thời gian kết thúc đông kết, phút 165 175 187 197 3 Cường MPa độ nén, 46,57 45,92 45,09 44,29 ≥36 (1) ≥30 (2) 4 Mô đun đàn hồi,
GPa 31,05 30,79 30,68 30,33
≥ 29 (1)
≥27(2) 5 Cường độ kéo uốn,
MPa 4,88 4,77 4,73 4,67 ≥ 4,5 (1) ≥4,0 (2) 6 Độ mài mòn, g/cm2 0,224 0,207 0,217 0,250 ≤ 0,3 (1) ≤ 0,6 (2) 7 Độ thấm nước, at. 20 22 21 18 - 8 Nhiệt độ tỏa ra, 0C 39,2 36,5 33,8 31,1 - 9 Kiến nghị sử dụng
Cấp III, quy mô nặng
Cấp III, IV, quy mô trung
bình
Cấp IV - trung bình; Cấp V,VI
- nhẹ
Ghi chú: (1) Đường cấp III (2) Đường cấp IV, V, VI
4.2. Đề xuất các dạng kết cấu áo đường BTXM tro bay