7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
4.4.1. Các số liệu phục vụ tính toán
Số liệu dùng để tính toán cường độ, ứng suất được phân làm 4 nhóm chính:
a. Thành phần vật liệu bê tông
Thành phần vật liệu bê tông bao gồm khối lượng và loại xi măng (xi măng poóc lăng), tro bay (loại F); loại cốt liệu thô (đá vôi), cốt liệu mịn (cát) được lấy theo số liệu đã tính trong Chương 2 – Mục 2.4.5 (Bảng 2.29).
b. Cấu tạo kết cấu áo đường
+ Sử dụng kết quả thiết kế kết cấu áo đường với 4 loại BTXM tro bay theo Mục 4.2. (Bảng 4.14) và tính toán với BTXM thông thường (PC) để đối chứng.
+ Tấm có chiều rộng điển hình bằng 3,5 m; chiều dài tấm phổ biến trong khoảng 4,5 ÷ 5,0 m. Mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo uốn bê tông ở 28 ngày đã được thí nghiệm trong Chương 3 – Mục 3.9 (Bảng 3.19).
+ Móng trên bằng CPĐD gia cố 5% xi măng dày 20 cm; lớp móng dưới bằng CPĐD loại II dày 18 cm.
c. Số liệu vềđiều kiện môi trường
Giả định điều kiện thi công của các loại bê tông là như nhau, trong đó nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp là 24 0C. Mặt đường được thi công vào mùa hè, là mùa bất lợi do có nhiệt độ ban ngày cao và sự chênh lệch nhiệt độ ngày và đêm lớn; độ ẩm không khí thấp; tốc độ gió lớn.
4.4.2. Kết quả tính cường độ và ứng suất mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm
Trong các dạng kết cấu áo đường BTXM tro bay đã thiết kế ở Bảng 4.14, lựa chọn loại mặt đường ô tô cấp III, IV có quy mô giao thông cấp trung bình để tính toán và phân tích ảnh hưởng của tro bay đến cường độ và ứng suất trong giai đoạn tuổi sớm. Bởi vì với cấp đường này có thể sử dụng được đầy đủ cả 4 loại BTXM tro bay đã chế tạo, đồng thời còn sử dụng thêm cả loại BTXM thông thường để đối chứng. Các số liệu tính toán chính được tổng hợp trong Bảng 4.17 dưới đây. Với các loại mặt đường khác, kết quả tính toán được trình bày tóm tắt trong Mục 4.5.
Bảng 4.17 – Số liệu đầu vào tính cường độ, ứng suất bê tông ở giai đoạn tuổi sớm TT Chỉ tiêu Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD Bê tông
PC 15% 20% 25% 30% 1 Cấp thiết kế Mặt đường ô tô cấp III, IV có quy mô giao
thông cấp trung bình 2 Chiều rộng × chiều dài tấm (m) 3,5 × 5,0
3 Chiều dày tấm (cm) 22 23 23 24 22
4 Thành phần vật liệu:
+ Xi măng (kg / m3) 400 390 380 371 439
+ Tro bay (kg / m3) 73 96 125 160 0
5 Kết quả thí nghiệm ở 28 ngày
+ Cường độ chịu kéo (MPa) 4,88 4,77 4,73 4,67 5,01 + Mô đun đàn hồi (GPa) 31,05 30,79 30,68 30,33 31,11
thức (4.2); tính ứng suất tại mặt trên và mặt dưới tấm theo công thức (4.14). Kết quả tính chi tiết tại từng thời điểm (với bước thời gian Δt = 1 giờ) được nêu trong Phục lục 6; trong đó tại một số thời điểm ứng suất đạt cực đại được tổng hợp trong Bảng 4.18 và biểu diễn trên các biểu đồ Hình 4.10 và Hình 4.11.
Bảng 4.18 – Bảng kết quả tính cường độ, ứng suất trong tấm bê tông (MPa) TT Thời
điểm Tên chỉ tiêu
Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD
0% 15% 20% 25% 30% 1 Bắt đầu hình thành Cường độ (4 giờ) 0,016 0,007 0,005 0,004 0,003 Ứng suất mặt trên (8 giờ) 0,067 0,032 0,019 0,011 0,003 Ứng suất mặt dưới (6 giờ) 0,056 0,054 0,053 0,053 0,053 2 18 giờ Cường độ 1,192 1,070 1,013 0,977 0,938
Ứng suất (cực đại) mặt trên 1,041 0,921 0,879 0,838 0,796 Ứng suất mặt dưới 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 3 25
giờ
Cường độ 1,419 1,304 1,245 1,210 1,169
Ứng suất mặt trên 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 Ứng suất (cực đại) mặt dưới 0,770 0,520 0,467 0,393 0,322 4 41
giờ
Cường độ 1,741 1,633 1,577 1,543 1,502
Ứng suất (cực đại) mặt trên 1,763 1,607 1,543 1,492 1,430 Ứng suất mặt dưới 0,483 0,271 0,219 0,127 0,040 5 48
giờ
Cường độ 1,844 1,739 1,682 1,649 1,608
Ứng suất mặt trên 0,173 0,000 0,000 0,000 0,000 Ứng suất (cực đại) mặt dưới 1,387 1,085 1,013 0,897 0,780 6 65
giờ
Cường độ 2,036 1,934 1,875 1,842 1,802
Ứng suất (cực đại) mặt trên 1,914 1,807 1,763 1,713 1,662 Ứng suất mặt dưới 0,798 0,605 0,556 0,465 0,370 7 72 giờ Cường độ 2,104 2,003 1,943 1,911 1,870 Ứng suất mặt trên 0,710 0,567 0,530 0,484 0,439 Ứng suất mặt dưới 1,651 1,382 1,317 1,197 1,075
(a). Bê tông 15% tro bay (b). Bê tông 20% tro bay
(c). Bê tông 25% tro bay (d). Bê tông 30% tro bay
(1): Cường độ kéo; (2): Ứng suất mặt trên tấm; (3): Ứng suất mặt dưới tấm
Hình 4.10. Biểu đồ ứng suất và cường độ kéo BTXM tro bay ở giai đoạn tuổi sớm
(1): Cường độ kéo; (2): Ứng suất mặt trên tấm; (3): Ứng suất mặt dưới tấm Hình 4.11. Biểu đồ ứng suất và cường độ kéo bê tông PC (không tro bay) ở giai đoạn tuổi sớm
* Phân tích sự phát triển cường độ bê tông trong giai đoạn tuổi sớm:
- Thời điểm 4 giờ sau khi đổ bê tông cường độ chịu kéo bắt đầu hình thành và tăng dần theo thời gian. Biểu đồ cường độ có dạng cong lồi, đạt giá trị cao nhất tại thời điểm cuối của giai đoạn tuổi sớm (ở 72 giờ): với bê tông PC thì R72h (PC) = 2,104 MPa; với BTXM tro bay R72h (FC) = 1,870 ÷ 2,003 MPa.
* Phân tích ứng suất trong bê tông mặt đường trong giai đoạn tuổi sớm:
- Ứng suất trong bê tông hình thành muộn hơn cường độ chịu kéo và phát triển có biểu đồ dạng tương tự hình sin. Ứng suất tại mặt dưới tấm bắt đầu hình thành ở giờ thứ 6, còn ứng suất tại mặt trên tấm bắt đầu hình thành ở giờ thứ 8. Tuy hình thành muộn hơn nhưng ứng suất tại mặt trên có giá trị tại các điểm cực đại lớn hơn ứng suất tại mặt dưới.
- Ứng suất kéo tại mặt trên của tấm BTXM đạt cực đại tại các thời điểm 18 giờ, 41 giờ và 65 giờ (tương ứng vào lúc 5 ÷ 6 giờ sáng). Lúc này nhiệt độ không khí xuống thấp và độ ẩm cao, nhiệt độ mặt dưới cao hơn mặt trên làm cho tấm bê tông bị võng xuống, thớ trên của tấm phát sinh ứng suất kéo (σcurl.top). Đồng thời kết hợp với ứng suất kéo dọc trục (σaxial) do co ngót dẻo và nhiệt thủy hóa làm cho ứng
suất tại mặt trên đạt cực đại.
- Ứng suất kéo tại mặt dưới của tấm BTXM đại cực đại tại các thời điểm 25 giờ, 48 giờ (tương ứng vào lúc 12 ÷ 13 giờ trưa). Lúc này nhiệt độ không khí lên cao, độ ẩm thấp, nhiệt độ mặt trên cao hơn mặt dưới làm cho tấm bê tông bị vồng lên, thớ dưới của tấm phát sinh ứng suất kéo (σcurl.bot), kết hợp với ứng suất kéo dọc trục do nhiệt thủy hóa (ứng suất do co ngót dẻo bằng 0) làm cho ứng suất tại mặt dưới đạt cực trị.
4.4.3. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến sự phát triển cường độ
Để phân tích ảnh hưởng của tro bay đến sự phát triển cường độ chịu kéo của bê tông trong giai đoạn tuổi sớm, vẽ trên cùng một biểu đồ tổng hợp về cường độ của 4 loại BTXM tro bay FC và bê tông PC như trong Hình 4.12 và Bảng 4.19.
Hình 4.12. Ảnh hưởng tro bay đến cường độ chịu kéo bê tông ở giai đoạn tuổi sớm Bảng 4.19 – Cường độ chịu kéo bê tông ở giai đoạn tuổi sớm
TT Tên chỉ tiêu Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD
0% 15% 20% 25% 30% 1 Thời điểm bắt đầu hình thành
cường độ: 4 giờ (sau khi đổ bê tông)
+ Cường độ chịu kéo R4h (MPa) 0,016 0,007 0,005 0,004 0,003 + Tỷ số R4h (FC) / R4h (PC) (%) 100,0 42,0 31,8 23,6 16,6 2 Thời điểm kết thúc giai đoạn tuổi
sớm: 72 giờ (sau khi đổ bê tông)
+ Cường độ chịu kéo R72h (MPa) 2,104 2,003 1,943 1,911 1,870 + Tỷ số R72h (FC) / R72h (PC) (%) 100,0 95,2 92,3 90,8 88,9
Theo Bảng 4.19, thời điểm bắt đầu hình thành (4 giờ), cường độ chịu kéo bê tông tro bay FC chỉ bằng 16,6 ÷ 42,0 % bê tông PC. Nhưng sau đó tốc độ phát triển nhanh hơn và đến cuối tuổi sớm (72 giờ), bê tông tro bay FC có cường độ chịu kéo bằng 88,9 ÷ 95,2 % bê tông PC.
Trên Hình 4.12 cho thấy, khi tỷ lệ tro bay / CKD tăng từ 0 ÷ 30 %, cường độ chịu kéo bê tông giảm (do ở giai đoạn tuổi sớm các phản ứng puzơlan diễn ra chậm nên chưa có hiệu quả về cường độ).
4.4.4. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến sự phát triển ứng suất kéo
Từ các kết quả tính ứng suất kéo tại mặt trên và mặt dưới tấm bê tông theo từng thời điểm trong giai đoạn tuổi sớm, xác định giá trị ứng suất lớn nhất trong tấm (giữa mặt trên và mặt dưới tấm) và vẽ thành biểu đồ cho 5 loại bê tông như sau:
Hình 4.13. Ảnh hưởng tro bay đến ứng suất kéo
Tương tự như sự phát triển cường độ chịu kéo, tại mỗi thời điểm nhất định khi tỷ lệ tro bay / CKD tăng, ứng suất kéo giảm. Tại 3 điểm cực đại (18 giờ, 41 giờ và 65 giờ), ứng suất kéo lớn nhất đều xảy ra ở mặt trên của tấm và có giá trị như sau:
Bảng 4.20 – Ứng suất kéo lớn nhất trong bê tông ở giai đoạn tuổi sớm TT Ứng suất kéo lớn nhất Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD
0% 15% 20% 25% 30% 1 Thời điểm ứng suất cực đại lần 1 18 giờ (sau khi đổ bê tông)
+ Ứng suất lớn nhất, [σ] (MPa) 1,041 0,921 0,879 0,838 0,796 + Tỷ số [σFC] / [σPC] (%) 100,0 88,5 84,4 80,5 76,5 2 Thời điểm ứng suất cực đại lần 2 41 giờ (sau khi đổ bê tông)
+ Ứng suất lớn nhất, [σ] (MPa) 1,763 1,607 1,543 1,492 1,430 + Tỷ số [σFC] / [σPC] (%) 100,0 91,2 87,5 84,6 81,1 3 Thời điểm ứng suất cực đại lần 3 65 giờ (sau khi đổ bê tông)
+ Ứng suất lớn nhất, [σ] (MPa) 1,914 1,807 1,763 1,713 1,662 + Tỷ số [σFC] / [σPC] (%) 100,0 94,4 92,1 89,5 86,8
Theo Bảng 4.20, thời điểm cực đại lần 1 (18 giờ), ứng suất kéo trong BTXM tro bay FC chỉ đạt 76,5 ÷ 88,5 % so với bê tông PC; đến cực đại lần 2 (41 giờ) thì đạt 81,1 ÷ 91,2 % và đến cực đại lần 3 (65 giờ) thì đạt 86,8 ÷ 94,4 %. Như vậy, tro bay đã có tác dụng làm giảm ứng suất kéo trong bê tông.
4.4.5. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến khả năng kháng nứt mặt đường BTXM ở
giai đoạn tuổi sớm
Để đánh giá khả năng làm việc mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm, tiến hành kiểm toán ứng suất kéo lớn nhất trong tấm so với cường độ chịu kéo của bê tông theo công thức (4.15).
Tính tỷ số giữa ứng suất kéo lớn nhất và cường độ bê tông ([σ(t)]/R(t)), nếu tỷ số lớn hơn 100% thì mặt đường xảy ra hiện tượng nứt (Hình 4.14).
Hình 4.14. Biểu đồ tỷ số ứng suất kéo lớn nhất / cường độ chịu kéo bê tông Trên biểu đồ hình Hình 4.14 cho thấy, tại thời điểm 41 giờ sau khi đổ bê tông thì tỷ số [σ41h] / R41h có giá trị lớn nhất, đây chính là thời điểm nguy hiểm nhất, mặt đường có nguy cơ xảy ra nứt lớn nhất trong giai đoạn tuổi sớm. Vì vậy cần phải kiểm toán ứng suất kéo tại thời điểm nguy hiểm nhất như trong Bảng 4.21 dưới đây.
Bảng 4.21 – Kiểm toán ứng suất kéo tại thời điểm nguy hiểm nhất (41 giờ) TT Tên chỉ tiêu Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD
0% 15% 20% 25% 30%
1 Thời điểm nguy hiểm nhất 41 giờ (sau khi đổ bê tông) 2 Ứng suất kéo lớn nhất, [σ41h]
+ Giá trị (MPa) 1,763 1,607 1,543 1,492 1,430 + Tỷ số [σ41h (FC)] / [σ41h (PC)] (%) 100,0 91,2 87,5 84,6 81,1 + Mức độ giảm ứng suất kéo bê
tông FC so với bê tông PC (%) 0,0 -8,8 -12,5 -15,4 -18,9 3 Cường độ chịu kéo, R41h
+ Giá trị (MPa) 1,741 1,633 1,577 1,543 1,502 + Tỷ số R41h (FC) / R41h (PC) (%) 100,0 93,8 90,6 88,6 86,3 + Mức độ giảm cường độ bê tông
FC so với bê tông PC (%) 0,0 -6,2 -9,4 -11,4 -13,7 4 Tỷ số [σ41h] / R41h (%) 101,27 98,43 97,84 96,70 95,23 5 Kiểm toán: [σ41h]/ R41h < 100% Không đạt Đạt Đạt Đạt Đạt
Căn cứ kết quả kiểm toán trong Bảng 4.21 và trên biểu đồ Hình 4.14 cho thấy, tại thời điểm nguy hiểm nhất (41 giờ sau khi đổ bê tông), tỷ số ứng suất kéo lớn nhất / cường độ chịu kéo của 5 loại bê tông đều đạt giá trị lớn nhất. Trong đó:
+ Với BTXM thông thường không tro bay (PC) có tỷ số [σ41h]/ R41h > 100% vì vậy mặt đường có nguy cơ xảy ra nứt tại mặt trên của tấm BTXM.
+ Với BTXM tro bay (15 ÷ 30%), tỷ số [σ41h]/ R41h đều bé hơn 100%, vì vậy mặt đường không xảy ra nứt tại mặt trên của tấm.
Như vậy khi sử dụng tro bay hàm lượng 15 ÷ 30% để thay thế một phần xi măng đã làm giảm đồng thời cường độ và ứng suất kéo trong tấm BTXM ở giai đoạn tuổi sớm so với bê tông không tro bay PC. Trong đó cường độ chịu kéo giảm từ 6,2 ÷ 13,7 % còn ứng suất kéo (lớn nhất) giảm từ 8,8 ÷ 18,9 %. Do mức độ giảm của ứng suất kéo lớn hơn mức độ giảm cường độ chịu kéo (Hình 4.15) nên mặt đường BTXM tro bay ít có nguy cơ xảy ra nứt so với mặt đường BTXM thông thường không tro bay.
Hình 4.15. Biểu đồ ứng suất và cường độ chịu kéo tại điểm cực đại 41 giờ
4.5. Tổng hợp kết quả kiểm toán ứng suất trong các dạng kết cấu mặt đường
BTXM tro bay ở giai đoạn tuổi sớm
Tiến hành tính toán tương tự cho các loại kết cấu áo đường BTXM tro bay đã đề xuất trong Bảng 4.14. Kết quả xác định cường độ và ứng suất tại thời điểm nguy hiểm nhất (41 giờ sau khi đổ bê tông) trong mặt đường ở giai đoạn tuổi sớm được tổng hợp vào Bảng 4.22 dưới đây.
Bảng 4.22 – Tổng hợp kết quả kiểm toán ứng suất trong các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay ở giai đoạn tuổi sớm
TT Cấp
thiết kế Thông số
Chiều dài tấm (m)
4,5 4,75 5,0 A Đường cấp III – quy mô giao thông cấp nặng
1 Bê tông FC15
Chiều dày tấm (cm) 25 25 25 Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) 1,425 1,454 1,474 Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) 1,639 1,639 1,639
Kiểm toán [σ41h] < R41h Đạt Đạt Đạt B Đường cấp III, IV – quy mô giao thông cấp trung bình
1 Bê tông FC15
Chiều dày tấm (cm) 22 22 22
Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) 1,557 1,586 1,607 Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) 1,633 1,633 1,633
(tiếp theo) Bảng 4.22 – Tổng hợp kết quả kiểm toán ứng suất trong các dạng kết cấu mặt
đường BTXM tro bay ở giai đoạn tuổi sớm TT Cấp thiết kế Thông số Chiều dài tấm (m) 4,5 4,75 5,0 2 Bê tông FC20 Chiều dày tấm (cm) 23 23 23
Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) 1,511 1,534 1,543 Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) 1,577 1,577 1,577
Kiểm toán [σ41h] < R41h Đạt Đạt Đạt
3 Bê tông FC25
Chiều dày tấm (cm) 23 23 23 Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) 1,456 1,477 1,492 Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) 1,543 1,543 1,543
Kiểm toán [σ41h] < R41h Đạt Đạt Đạt
4 Bê tông FC30
Chiều dày tấm (cm) 24 24 24 Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) 1,399 1,418 1,430 Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) 1,502 1,502 1,502
Kiểm toán [σ41h] < R41h Đạt Đạt Đạt C Đường cấp V, VI – quy mô giao thông cấp nhẹ
1 Bê tông FC30
Chiều dày tấm (cm) 21 21 21 Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) 1,478 1,486 1,489 Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) 1,491 1,491 1,491
Kiểm toán [σ41h] < R41h Đạt Đạt Đạt
4.6. Kết luận chương 4
(1). Khả năng đáp ứng các yêu cầu về vật liệu làm mặt đường ô tô.
Trong phạm vi nghiên cứu tính toán thành phần vật liệu cho bê tông có cường độ kéo uốn thiết kế bằng 4,5 MPa, từ kết quả thí nghiệm cho thấy BTXM tro bay hoàn toàn có khả năng đáp ứng được các yêu cầu để làm mặt đường ô tô cho đường cấp III và cấp IV trở xuống, cụ thể như sau:
+ Về mặt cường độ, BTXM tro bay có cường độ kéo uốn, cường độ nén và mô đun đàn hồi cao hơn so với các quy định hiện hành về thiết kế và thi công mặt
đường BTXM thông thường ở nước ta.
+ Tro bay đã cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông gồm tăng độ sụt và duy trì sự ổn định; kéo dài thời gian đông kết; giảm nhiệt thủy hóa và làm chậm thời gian đạt tới nhiệt độ lớn nhất trong bê tông.
+ Về mặt môi trường, theo tính toán với mỗi kilomet đường ô tô sử dụng lớp mặt bằng BTXM tro bay sẽ giảm được từ 68,3 ÷ 119 tấn khí CO2 (tương đương từ 8,9 ÷ 15,5 % lượng khí CO2) thải ra môi trường so với BTXM thông thường; đồng thời tái sử dụng lại nguồn tài nguyên từ 128 ÷ 278 tấn tro bay.
(2). Thông qua tính và kiểm toán kết cấu áo đường, đề xuất chiều dày tấm mặt đường BTXM tro bay có chiều rộng bằng 3,5 m; chiều dài điển hình từ 4,5 ÷ 5,0 m như sau:
+ Đường cấp III quy mô giao thông cấp nặng có thể sử dụng bê tông 15% tro bay với chiều dày 25 cm.
+ Đường cấp III, IV quy mô giao thông cấp trung bình có thể sử dụng bê tông 15 ÷ 30 % tro bay với chiều dày 22 ÷ 24 cm.