7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
4.1.4. Tính công tác
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
Căn cứ vào đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường (Bảng 4.9), tiến hành tính toán thiết kế các dạng kết cấu áo đường như sau:
4.2.1. Các số liệu phục vụ thiết kế
Giả định tuyến đường thiết kế làm mới thuộc khu vực phía Bắc là nơi gần với các nguồn vật liệu được sử dụng để nghiên cứu và thí nghiệm; quy mô giao thông cho các cấp đường theo quy định thiết kế [12] (Bảng 4.10). Tải trọng trục tiêu chuẩn Ps = 100 kN; tải trọng trục lớn nhất Pmax = 180 kN (quy mô giao thông cấp nặng) và Pmax = 150 kN (cấp trung bình và nhẹ). Gradien nhiệt độ lớn nhất Tg = 86 0C/m. Nền đất á sét nhẹ có mô đun đàn hồi điển hình bằng 40 MPa.
Bảng 4.10 – Quy mô giao thông
TT Cấp quy mô giao thông Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy Ne (lần / làn) Cấp III Cấp IV,V,VI
1 Nặng 106 ÷ 20.106 -
2 Trung bình 3.104 ÷ 106 3.104 ÷ 106
3 Nhẹ - < 3.104
4.2.1.2. Dự kiến các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay
(a). Quy mô giao thông trung bình và nặng (b). Đường có quy mô giao thông nhẹ
Hình 4.2. Mô hình kết cấu áo đường BTXM tro bay
Theo quy định [12], mô hình kết cấu áo đường gồm 3 lớp (Hình 4.2). Trong đó: + Lớp mặt trên bằng BTXM tro bay có tỷ lệ từ 15 ÷ 30% với các tính chất cơ học đã được thí nghiệm (Bảng 4.9).
+ Lớp móng trên bằng vật liệu cấp phối đá dăm gia cố xi măng có khả năng chống xói, có độ cứng thích hợp, chiều dày 200 mm, mô đun đàn hồi bằng 1300 MPa, hệ số Poisson μc = 0,20; lớp ngăn cách láng nhựa dày tối thiểu 10 mm hoặc
dùng màng chống thấm tối thiểu 0,20 l/m2.
+ Lớp móng dưới bằng vật liệu cấp phối đá dăm loại II có chiều dày 180 mm, mô đun đàn hồi bằng 300 MPa hệ số Poisson μc = 0,35. Với quy quy mô giao thông nhẹ thì có thể chỉ cần dùng lớp cấp phối đá dăm trực tiếp trên nền đất [12].
4.2.1.3. Kiểm toán trạng thái làm việc kết cấu mặt đường BTXM tro bay
Mặt đường BTXM nói chung và BTXM tro bay nói riêng thuộc loại mặt đường cứng, tầng mặt có độ cứng lớn hơn nhiều so với tầng móng và nền đất [5],[29]. Dưới tác dụng của tải trọng và gradient nhiệt độ, tấm bê tông làm việc ở trạng thái chịu uốn và ở vị trí bất lợi nhất thường ở thớ dưới tại giữa cạnh dọc tấm (về mùa nóng khi có chênh lệch nhiệt độ lớn nhất giữa mặt trên và mặt dưới tấm).
Kết cấu tấm mặt đường làm việc theo hai trường hợp. Trường hợp 1, tấm đặt trên lớp móng trên bằng cấp phối đá dăm gia cố xi măng theo mô hình tấm hai lớp tách rời trên nền đàn hồi nhiều lớp. Trường hợp 2, tấm đặt trên lớp móng trên bằng cấp phối đá dăm theo mô hình tấm một lớp tách rời trên nền đàn hồi nhiều lớp.
Theo quy định thiết kế QĐ3230 [12], kết cấu áo đường BTXM thông thường có khe nối được kiểm toán theo hai trạng thái giới hạn:
+ Dưới tác dụng tổng hợp của tải trọng xe chạy trùng phục và tác dụng lặp đi lặp lại của sự biến đổi gradien nhiệt độ giữa mặt và đáy tấm BTXM, suốt trong thời hạn phục vụ, tầng mặt BTXM không bị phá hoại (không bị nứt vỡ) do mỏi.
+ Tầng mặt BTXM không bị nứt vỡ dưới tác dụng tổng hợp của một tải trọng trục xe lớn nhất đúng vào lúc xuất hiện gradien nhiệt độ lớn nhất.
[σm] = γr .(σpr + σtr) ≤ Rku
[σp,t_max] = γr .(σ pmax + σ t max) ≤ Rku (4.1) trong đó: [σm] – ứng suất kéo uốn gây mỏi do tác dụng của trục xe tiêu chuẩn (σpr)
và do gradien nhiệt độ (σtr) gây ra (gọi tắt là ứng suất gây mỏi), MPa;
[σp,t_max] – ứng suất kéo uốn do tải trọng trục xe nặng nhất (σpmax) và do
gradien nhiệt độ lớn nhất (σtmax) gây ra (gọi tắt là ứng suất max), MPa; Rku – cường độ kéo uốn thiết kế của BTXM, MPa;
Nội dung thiết kế mặt đường BTXM tro bay được thực hiện như với mặt đường BTXM thông thường theo quy định kỹ thuật QĐ3230 [12] và được tóm tắt theo sơ đồ Hình 4.3 dưới đây. Chi tiết kết quả thiết kế các dạng kết cấu mặt đường được trình bày tại Phụ lục 5.
Hình 4.3. Sơ đồ khối tính toán, thiết kế mặt đường BTXM
4.2.3. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp nặng
- Đường cấp III có quy mô giao thông cấp nặng; số trục xe tiêu chuẩn tích lũy lớn nhất Ne = 20.106 lần / làn; tải trọng trục lớn nhất Pmax = 180 kN.
Bảng 4.11 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay (đường cấp III – quy mô giao thông cấp nặng)
TT Chỉ tiêu
Bê tông 15% tro bay, chiều dài tấm L (mm)
4.500 4.750 5.000
1 Chiều dày tấm, hc(mm) 240 242 244
2 Cường độ kéo uốn, Rku(MPa) 4,88 4,88 4,88 3 Ứng suất gây mỏi [σm] (MPa) 4,81 4,82 4,83 4 Ứng suất max [σp,t_max] (MPa) 4,08 4,13 4,18 5 Điều kiện kiểm toán [σm], [σp,t_max] < Rku Đạt Đạt Đạt
Kết quả tính toán nhận được, với tấm bê tông 15% tro bay, chiều dày tấm có giá trị từ 240 ÷ 244 mm.
4.2.4. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp trung bình
- Đường cấp III, IV có quy mô giao thông cấp trung bình; số trục xe tiêu chuẩn tích lũy lớn nhất Ne = 1.106 lần / làn; tải trọng trục Pmax = 150 kN.
- Sử dụng bê tông 15 ÷ 30 % tro bay với các thông số trong Bảng 4.9 để thiết kế. Bảng 4.12 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay
(đường cấp III, IV – quy mô giao thông cấp trung bình)
TT Chỉ tiêu Chiều dài tấm L (mm) Chiều dài tấm L (mm) 4.500 4.750 5.000 4.500 4.750 5.000
Loại bê tông Bê tông 15% tro bay Bê tông 20% tro bay
1 Chiều dày tấm, hc (mm) 216 218 220 218 220 222 2 Cường độ kéo uốn, Rku
(MPa) 4,88 4,88 4,88 4,77 4,77 4,77
3 Ứng suất gây mỏi [σm]
(MPa) 4,79 4,80 4,81 4,72 4,73 4,74
4 Ứng suất max [σp,t_max]
(MPa) 4,19 4,23 4,27 4,13 4,17 4,21
5 Điều kiện kiểm toán
(tiếp theo) Bảng 4.12 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay
(đường cấp III, IV – quy mô giao thông cấp trung bình)
TT Chỉ tiêu Chiều dài tấm L (mm) Chiều dài tấm L (mm) 4.500 4.750 5.000 4.500 4.750 5.000
Loại bê tông Bê tông 25% tro bay Bê tông 30% tro bay
1 Chiều dày tấm, hc (mm) 220 222 224 222 224 226 2 Cường độ kéo uốn, Rku
(MPa) 4,73 4,73 4,73 4,67 4,67 4,67
3 Ứng suất gây mỏi [σm]
(MPa) 4,66 4,67 4,68 4,59 4,60 4,61
4 Ứng suất max [σp,t_max]
(MPa) 4,07 4,12 4,15 4,01 4,05 4,09
5 Điều kiện kiểm toán
[σm], [σp,t_max] < Rku Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Kết quả tính toán nhận được, với bê tông 15 % tro bay thì hc = 216 ÷ 220 mm; bê tông 20 % tro bay thì hc = 218 ÷ 222 mm; bê tông 25 % tro bay thì hc = 220 ÷ 224 mm và bê tông 30 % tro bay thì hc = 222 ÷ 226 mm.
4.2.5. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp nhẹ
- Đường cấp V, VI có quy mô giao thông nhẹ; số trục xe tiêu chuẩn tích lũy lớn nhất Ne ≤ 3.104lần / làn; tải trọng trục Pmax = 150 kN.
- Sử dụng bê tông 30 % tro bay với các thông số trong Bảng 4.9 để thiết kế. Bảng 4.13 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay
(đường cấp V, VI – quy mô giao thông cấp nhẹ) TT Chỉ tiêu
Bê tông 30% tro bay, chiều dài tấm L (mm)
4.500 4.750 5.000
1 Chiều dày tấm, hc (mm) 200 202 204
2 Cường độ kéo uốn, Rku(MPa) 4,67 4,67 4,67 3 Ứng suất gây mỏi [σm] (MPa) 4,52 4,51 4,50 4 Ứng suất max [σp,t_max] (MPa) 4,58 4,60 4,62 5 Điều kiện kiểm toán [σm], [σp,t_max] < Rku Đạt Đạt Đạt
Kết quả tính toán nhận được, với bê tông 30% tro bay thì chiều dày tấm BTTB có giá trị từ 200 ÷ 204 mm.
4.2.6. Tổng hợp các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay
Theo quy định kỹ thuật QĐ3230 [12], để dự phòng mài mòn thì lớp mặt cần tăng dầy thêm 6,0 mm so với chiều dày đã tính toán. Vì vậy kết cấu áo đường BTXM tro bay được tổng hợp lại như trong Bảng 4.14 và Hình 4.4 (sau khi làm tròn đến đơn vị centimet) như sau:
Bảng 4.14 – Tổng hợp kết quả thiết kế chiều dày tấm BTXM tro bay (cm)
TT Cấp thiết kế Loại BTXM
tro bay
Chiều dài tấm (m)
4,5 4,75 5,0
1 Cấp III – quy mô cấp nặng FC15 25 25 25
2 Cấp III, IV – quy mô giao thông cấp trung bình FC15 22 22 22 FC20 23 23 23 FC25 23 23 23 FC30 24 24 24 3 Cấp V, VI – quy mô cấp nhẹ FC30 21 21 21
Hình 4.4. Kết quả thiết kế kết cấu áo đường BTXM tro bay
4.3. Cường độ và ứng suất mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm
4.3.1. Đặt vấn đề
Mặt đường BTXM trong quá trình đóng rắn và phát triển cường độ, phản ứng thuỷ hoá xi măng toả ra một lượng nhiệt lớn. Bên cạnh đó vào mùa nóng, nhiệt
độ không khí ở mức cao, sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm lớn; độ ẩm thấp, gió mạnh và diện tích bề mặt đường rộng làm cho quá trình bốc hơi