7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
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.
+ Đường cấp V, VI quy mô giao thông cấp nhẹ có thể sử dụng bê tông 30 % tro bay với chiều dày 21 cm.
(3). Kết quả phân tích ảnh hưởng của tro bay đến cường độ và ứng suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm cho thấy:
+ Ở giai đoạn tuổi sớm (72 giờ sau khi đổ bê tông) ứng suất uốn vồng và ứng suất kéo dọc trục phát sinh trong tấm BTXM do nhiệt độ thủy hóa và điều kiện môi trường, trong khi đó cường độ chịu kéo của bê tông mới hình thành và có giá trị thấp. Vì vậy mặt đường có nguy cơ cao xảy ra nứt trên bề mặt ở giai đoạn này.
+ Từ kết quả thí nghiệm và tính toán cho thấy, bê tông hàm lượng 15 ÷ 30 % tro bay đã làm giảm ứng suất kéo lớn nhất từ 8,8 ÷ 18,9 % so với bê tông không tro bay. Trung bình cứ thêm 5% tro bay thì giảm được 4,7 % ứng suất kéo.
+ Tro bay có tác dụng làm giảm ứng suất kéo nhiều hơn so với mức độ giảm cường độ chịu kéo, nhờ đó mà mặt đường BTXM tro bay có khả năng chống nứt ở giai đoạn tuổi sớm tốt hơn so với mặt đường BTXM thông thường không tro bay.
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO I. Kết luận
Các kết quả đạt được của Luận án được trình bày như sau:
(1). Đã phân tích cơ chế phản ứng thủy hóa và phản ứng puzơlan; ảnh hưởng của tro bay đến các tính năng bê tông xi măng, trong đó ảnh hưởng về mặt cường độ được thể hiện bằng hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông (k).
(2). Đã xây dựng mô hình xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông (k) trên cơ sở công thức cường độ nén của Bolomey cải tiến như sau:
1 ) 1 ( ) 5 , 0 1 ( − − + = RS f k ω
trong đó: f, ω – tương ứng là tỷ lệ tro bay / chất kết dính và tỷ lệ nước / chất kết
dính; Rs – hệ số cường độ được xác định bằng thực nghiệm.
Đã thí nghiệm xác định hệ số hiệu quả k với nguồn vật liệu tro bay ở nước ta và đề xuất giá trị như sau:
+ Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 15 ÷ 35 %): hệ số k = 0,70 ÷ 0,40; + Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 35 ÷ 70 %): hệ số k = 0,40 ÷ 0,27.
(3). Đã thiết lập trình tự thiết kế thành phần vật liệu BTXM tro bay gồm 8 bước. Trong đó hệ số k được dùng để điều chỉnh hàm lượng chất kết dính gồm xi măng (XFC) và tro bay (F) nhằm đạt được cường độ nén và cường độ kéo uốn thiết kế ở tuổi 28 ngày như sau:
0 ) 1 ( 1 1 X f k f XFC − + − = và 0 ) 1 ( 1 k f X f F − + = (kg)
trong đó: XFC , X0 – khối lượng xi măng trong BTXM tro bay và khối lượng xi
măng trong BTXM thông thường (không có tro bay).
(4). Đã thí nghiệm để đưa ra các thông số chủ yếu về cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn, độ thấm nước, tính công tác của BTXM tro bay trong kết cấu mặt đường ô tô; đề xuất cấu tạo các dạng kết cấu mặt đường ô tô sử dụng BTXM tro bay và kiến nghị phạm vi áp dụng như sau:
tỷ lệ tro bay / CKD là 15%.
+ Đường ô tô cấp III, IV quy mô giao thông cấp trung bình có thể sử dụng bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD từ 15 ÷ 30 %.
+ Đường cấp V, VI quy mô giao thông cấp nhẹ nên sử dụng bê tông có tỷ lệ
tro bay / CKD là 30 %.
(5). Đã nghiên cứu tính toán cường độ, ứng suất nhiệt trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm và phân tích ảnh hưởng của tro bay đến việc cải thiện
đáng kể khả năng kháng nứt mặt đường trong giai đoạn này như sau:
+ Từ kết quả thí nghiệm và tính toán cho thấy, bê tông có tỷ lệ tro bay / chất kết dính từ 15 ÷ 30 % đã làm giảm ứng suất kéo lớn nhất từ 8,8 ÷ 18,9 % so với bê tông không có tro bay.
+ Trung bình cứ thêm 5% tro bay thì giảm được 4,7 % ứng suất kéo lớn nhất. Những kết quả nghiên cứu của luận án góp phần làm phong phú thêm kiến thức về sử dụng BTXM tro bay trong kết cấu mặt đường ô tô ở Việt Nam, là tài liệu tham khảo tốt khi nghiên cứu và giảng dạy chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng đường ô tô và đường thành phố.
II. Những hạn chế, tồn tại và hướng nghiên cứu tiếp theo
(1). Nghiên cứu của luận án có tính định hướng với một số loại vật liệu nhất
định, vì vậy sẽ tiếp tục hướng nghiên cứu mở rộng cho các loại vật liệu khác (tro bay loại C và xi măng hỗn hợp PCB).
(2). Nội dung thiết kế chế tạo thành phần vật liệu và thử nghiệm các tính năng của BTXM tro bay mới dừng lại ở việc áp dụng cho đường ô tô cấp III và cấp IV trở xuống. Vì vậy sẽ tiếp tục nghiên cứu giải pháp đểứng dụng làm các loại mặt
đường cấp cao, đường cao tốc hoặc làm các lớp móng mặt đường.
(3). Kích thước tấm BTXM tro bay được lựa chọn theo quy định kỹ thuật về
thiết kế mặt đường BTXM (Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT), sẽ tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm về trường nhiệt và giãn nở nhiệt trong BTXM tro bay để tính toán thiết kế kích thước tấm cho phù hợp.
kiện kiểm nghiệm hiện trường. Vì vậy cần xây dựng chương trình áp dụng thử nghiệm hiện trường kết cấu mặt đường BTXM tro bay để so sánh đối chiếu với các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
1. Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu, “Khả năng ứng dụng bê tông tro bay trong xây dựng mặt đường ô tô ở Việt Nam”, Tạp chí Giao thông vận tải số chuyên đề Hội
thảo Khoa học Công nghệ Kỹ thuật giao thông, tháng 4 năm 2014.
2. Trần Trung Hiếu, “Nghiên cứu đánh giá mức độ phản ứng hóa học trong bê tông tro bay làm mặt đường ô tô”, Tạp chí Cầu đường số 10 năm 2014.
3. Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu, “Ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay và nước / chất kết dính đến hiệu quả tro bay trong bê tông”, Tạp chí Giao thông vận tải số chuyên
đề Hội nghị Khoa học Công nghệ giao thông vận tải lần thứ III, tháng 10 năm 2015. 4. Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu “Thiết kế thành phần bê tông tro bay theo hệ
số hiệu quả (k) và chế tạo thử nghiệm bê tông làm mặt đường ô tô”, Tạp chí Người
xây dựng số 289 & 290 tháng 11 & 12 năm 2015.
5. Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu, Lã Văn Chăm, “Nghiên cứu thử nghiệm một số các tính năng của bê tông tro bay làm mặt đường ô tô”, Tạp chí Người xây dựng
số tháng 01 & 02 năm 2016.
6. Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu, Nguyễn Thị Giang “Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến nhiệt độ bê tông mặt đường ô tô”, Tạp chí Cầu đường số 6 năm 2016.
7. Trần Trung Hiếu, Nguyễn Văn Tươi, Đào Phúc Lâm “Nghiên cứu giải pháp tăng cường khả năng kháng nứt mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm”, Tạp chí Giao
thông vận tải Kỷ yếu Hội thảo nhà khoa học trẻ ngành GTVT năm 2016, số đặc biệt, năm 2017.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
A. TIẾNG VIỆT
[1] Trần Đình Bửu, Dương Học Hải (2009), Giáo trình xây dựng mặt đường ô tô – Tập II, Nxb Giáo dục Việt Nam.
[2] Nguyễn Quang Chiêu, Nguyễn Xuân Đào (2003), Mặt đường đá gia cố chất liên kết vô cơ, Nxb Xây dựng.
[3] Nguyễn Quang Chiêu (2010), Mặt đường bê tông xi măng, Nxb Giao thông
vận tải.
[4] Nguyễn Quang Chiêu, Phạm Huy Khang (2002), Xây dựng mặt đường ô tô,
Nxb Giao thông vận tải.
[5] Dương Học Hải, Hoàng Tùng (2010), Mặt đường bê tông xi măng cho đường ô tô – sân bay, Nxb Xây Dựng.
[6] Phan Hiếu Hiền (2001), Phương pháp bố trí thí nghiệm và xử lý số liệu thống