7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
4.1.6. 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 nước diễn ra nhanh. Sự thay đổi nhiệt độ và tốc độ bay hơi nước trên bề mặt là nguyên nhân chính gây ra ứng suất trong bê tông ở trạng thái dẻo và giai đoạn đầu của quá trình đóng rắn. Theo McCullough [82], giai đoạn này được gọi là giai đoạn tuổi sớm của bê tông (Hình 4.5) và sự phát triển nhiệt độ được mô tả ở Hình 4.6.
Hình 4.6. Sự phát triển nhiệt độ bê tông ở giai đoạn tuổi sớm
Giai đoạn tuổi sớm của bê tông được định nghĩa là khoảng thời gian trong vòng 72 giờ sau khi đổ bê tông [82]. Trong giai đoạn này bê tông có cường độ còn thấp, do đó các ứng suất kéo có khả năng gây biến dạng kết cấu và tạo ra các vết nứt bên trong cũng như trên bề mặt đường.
Để mặt đường BTXM sớm đạt được cường độ cao, người thiết kế thường sử dụng xi măng cường độ cao, tỷ N/X thấp (khối lượng xi măng tăng). Điều này có
0 Đóng rắn 72giờ Thời gian Dẻo Chuyển tiếp Đóng rắn Giai đoạn tới hạn B ắ t đầ u đ ôn g k ế t K ế t thúc đ ôn g k ế t M ứ c độ đ óng r ắ n Mất tính công tác Giai đoạn tuổi sớm Nhi ệ t độ t ấ m bê tô ng Thời gian đông kết Thời điểm đổ bê tông Đóng rắn 72giờ Thời gian Tăng nhiệt Giảm nhiệt Hình 4.5. Giai đoạn tuổi sớm của bê tông
nguy cơ dẫn đến hiện tượng co ngót dẻo, co ngót khô, mô đun đàn hồi cao và hệ số từ biến thấp, do đó mặt đường có xu hướng nứt nhiều hơn. Vì vậy bê tông có cường độ ở giai đoạn tuổi sớm càng cao thì sẽ càng dễ bị nứt.
Với kết quả thí nghiệm của đề tài về sự phát triển cường độ nén (Bảng 4.15) cho thấy, sự phát triển cường độ ở giai đoạn tuổi sớm của BTXM tro bay thấp hơn so với bê tông xi măng pooc lăng thông thường. Ở 7 ngày BTXM tro bay đạt được cường độ tương ứng là 72,93 ÷ 76,16% và ở 14 ngày là 85,45 ÷ 87,74% so với ngày thứ 28. Trong khi đó với bê tông xi măng pooc lăng thông thường là 81,36% và 91,09% so với ngày thứ 28. Như vậy tốc độ phát triển cường độ BTXM tro bay chậm hơn so với bê tông xi măng thông thường, nhờ đó mặt đường BTXM tro bay ít có khả năng nứt trong thời gian trước 28 ngày so với bê tông thông thường.
Bảng 4.15 – Kết quả thí nghiệm sự phát triển cường độ nén bê tông TT Loại bê tông
Tỷ lệ phát triển cường độ nén bê tông (so với cường độ nén 28 ngày tuổi) (%) 7 ngày 14 ngày 28 ngày 56 ngày 1 Bê tông 15 ÷ 30% tro bay 72,93÷76,16 85,45÷87,74 100,00 105,34÷107,76 2 Bê tông không tro bay, PC 81,36 91,09 100,00 103,23
Theo báo cáo của Chương trình hợp tác nghiên cứu đường cao tốc Mỹ (NCHRP-749) [35], mặt đường bằng bê tông cường độ cao nếu sử dụng với lượng xi măng nhiều hơn 400 kg/m3 thì thường có nguy cơ bị nứt. Do đó, với yêu cầu về độ bền thì cần phải xem xét cân đối thích hợp giữa hàm lượng xi măng không quá thấp hoặc quá cao. Điều này được giải quyết bằng việc sử dụng phụ gia khoáng tro bay (như mục tiêu nghiên cứu của đề tài).
Tro bay có ảnh hưởng đến ứng suất trong bê tông và khả năng kháng nứt mặt đường ở giai đoạn tuổi sớm. Vì vậy, việc xác định ứng suất và cường độ bê tông ở giai đoạn tuổi sớm cần được quan tâm đúng mức nhằm đánh giá và đưa ra các biện pháp xử lý thích hợp.
4.3.2. Cường độ của BTXM trong giai đoạn tuổi sớm
Ở giai đoạn tuổi sớm (trong vòng 72 giờ sau khi đổ bê tông), cường độ bê tông mới hình thành và còn thấp vì vậy rất khó để tiến hành thí nghiệm trên các mẫu. Vì vậy theo McCullough [82], cường độ ở giai đoạn tuổi sớm được xác định dựa trên mức độ thủy hóa xi măng ở thời điểm t (giờ) so với mức độ thủy hóa ở 28
ngày theo công thức như sau: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − = gh gh t t R R ψ ψ ψ ψ 28 ) 28 ( ) ( (4.2)
trong đó: R(t) – cường độ chịu kéo bê tông tại thời điểm t (giờ) (MPa);
R(28) – cường độ chịu kéo bê tông ở 28 ngày (MPa);
Ψt – mức độ thủy hóa tại thời điểm t (giờ) sau khi đổ;
Ψ28 – mức độ thủy hóa ở 28 ngày;
Ψgh – mức độ thủy hóa giới hạn, được xác định Ψgh = 0,43 × (N / X); N / X – Tỷ lệ nước / xi măng.
Mức độ thủy hóa tại thời điểm t (giờ) được tính theo công thức sau:
κ τ λ
ψt =e− 1(ln )− (4.3)
trong đó: τ – tham số tuổi bê tông, 1 ;
1⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = t te τ
λ1, κ, t1 – các tham số quá trình thủy hóa được lấy theo Bảng 4.16; te – tuổi quy đổi tương đương (giờ) được tính theo công thức:
∑ + − + Φ − Δ = t R T T e t e r t 0 ) 273 1 273 1 ( . (4.4)
Φ – năng lượng hoạt hóa (J / mol);
t , Δt – tương ứng là thời gian và bước thời gian (giờ); R – hằng số khí phổ, bằng 8.314 J / mol / °C;
T , Tr – nhiệt độ ban đầu hỗn hợp và nhiệt độ tiêu chuẩn (bằng 20 °C). Bảng 4.16 – Bảng tham số quá trình thủy hóa
TT Loại xi măng Tổng nhiệt thủy hóa, Hu(J / g)
Năng lượng hoạt hóa, Φ (J / mol) Hệ số thủy hóa λ1 t1 κ 1 Loại I 460 41750 2,42 2,12 0,85 2 Loại IP 410 41715 2,42 2,12 0,85 3 Loại II 406 39050 3,16 2,06 1,07 4 Loại III 468 44150 3,52 1,10 0,97
4.3.3. Ứng suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm
Trong giai đoạn tuổi sớm, khi mặt đường chưa chịu tác dụng của tải trọng xe chạy thì sự thay đổi nhiệt độ là nguyên nhân phát sinh ứng suất uốn vồng và ứng suất kéo dọc trục (gồm ứng suất do nhiệt thủy hóa và co ngót).
4.3.3.1. Ứng suất uốn vồng
Ứng suất uốn vồng (σcurl) xảy ra do chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt
dưới của tấm bê tông, tùy thuộc vào biên độ dao động nhiệt: ban ngày nhiệt độ mặt