1.2.1.1. Lịch sử ra đời và quá trình phát triển
Theo tài liệu của Hiệp hội Bê tơng Mỹ (ACI), khi xếp sắp lịch sử phát triển cơng nghệ bê tơng khối lớn, đã chọn mốc năm 1970 làm khởi đầu cho cơng nghệ BTĐL sau khi chính thức được giáo sư Jerome Raphael trình bày về “Đập trọng lực tối ưu”, mặc dù cơng nghệ này được ứng dụng để xây dựng đập từ những năm 1960 cho các đập Alpe Gera, đê quai Thạch mơn...Kể từ đó đến nay, cơng nghệ BTĐL tỏ ra chiếm ưu thế vượt trội trong việc thi cơng các đập trọng lực trên thế giới. Theo số liệu thống kê [69], đến năm 1998 trên thế giới có 184 đập BTĐL (cao hơn 15m) được xây dựng xong với tổng khối lượng bê tơng là 57 triệu m3, trong đó 35 triệu m3 là BTĐL và 25 đập BTĐL đang được xây dựng với tổng khối lượng là 15 triệu m3 trong đó 12 triệu m3 là BTĐL. Các đập này tập trung ở 28 quốc gia (hình 1.9).
Hình 1.9. Số lượng đập BTĐL (cao trên 15m) được xây dựng tại một số quốc gia trên thế giới tính tới 1998 [69].
Bên cạnh việc ứng dụng cho đập, BTĐL cũng được ứng dụng trong xây dựng mặt đường và sân bãi (hình 1.10), lần đầu tiên được áp dụng ở Canada vào năm 1976 tại Caycuse trên đảo Vancouver. Việc quyết định sử dụng BTĐL tại cơng trình này được phát triển dựa trên việc thay đổi thiết kế trong q trình thi cơng. Thiết kế cấu tạo lớp móng đường là đá cấp phối gia cố thêm xi măng (dày 350mm), lớp phủ mặt là bê tơng asphalt (dày 50mm). Sau đó để tăng cường khả năng chịu băng giá, lớp bê tơng asphalt đã được thay bằng BTĐL với hàm lượng XM 13% (theo khối lượng). Tổng diện tích sân được thi cơng bằng BTĐL ở Caycuse là 36.000m2[9]. Tiếp theo những thành cơng về việc ứng dụng BTĐL làm sân bãi ở Caycuse, 3 cơng trình sân bãi ứng dụng cơng nghệ BTĐL đã được xây dựng ở đảo Queen Chartlotte - Canada từ năm 1976 đến năm 1978. Các cơng trình mặt đường và sân bãi bằng BTĐL đều cho hiệu quả sử dụng tốt và tốn ít chi phí bảo dưỡng.
Trong khi Cananda có những bước phát triển nhanh về cơng nghệ BTĐL cho đường và sân bãi thì ở Mỹ nhiều tổ chức cũng quan tâm đến cơng nghệ này. Bên cạnh các dự án thử nghiệm cơng nghệ BTĐL cho đập do USACE tiến hành vào những năm đầu thập kỷ 80 thế kỷ trước, tổ chức này cũng bắt đầu nghiên cứu sử dụng BTĐL cho xây dựng đường phục vụ mục đích qn sự [74]. Năm 1983 USACE đã tiến hành thử nghiệm một đoạn đường ngắn cho các loại xe bánh xích với chiều dày bê tơng (230 330)mm và diện tích 390m2 ở Fost Stewart - bang Georgia - Mỹ. Năm 1984 tổ chức này lại tiến hành thử nghiệm 1 đoạn đường cho xe tăng bằng BTĐL dày 200mm với diện tích 1870m2 ở Forst Lewis - Bang Washington - Mỹ. Năm 1984 lần đầu tiên ở Mỹ, bãi đỗ cho các thiết bị qn sự chiến lược của qn đội Mỹ tại Fort Hood - Texas đã được USACE thiết kế và thi cơng bằng BTĐL với quy mơ lớn. Chiều dày lớp BTĐL phủ mặt của bãi đỗ này là 250mm, diện tích khoảng 15.000m2. Cường độ uốn của BTĐL được thiết kế là 5,5MPa. Dự án này đã cung cấp cho USACE những tài liệu có giá trị về việc lựa chọn đường kính tối đa của cốt liệu lớn, quy trình thi cơng, bảo dưỡng và lấy mẫu vật liệu. Tiếp sau đó, năm 1986 USACE lại tiếp tục xây dựng bãi đỗ xe bánh xích với diện tích 21000m2 ở Fort Lewis - Washington [74].
Vào khoảng giữa thập kỷ 80, việc xây dựng đường cho các xe tải trọng lớn đã được tiến hành tại một số khu mỏ. Đường khai mỏ bắc Burlington - Houston- Texas đã sử dụng khoảng 44.000m2 BTĐL. Năm 1986 ở Denver Colorado cũng đã sử dụng 107.000m2 BTĐL cho mặt sân bãi [74].
Năm 1985 tại cảng Tacoma Washington Mỹ, 70.000m2 RCC đã được sử dụng làm mặt sân cảng. Năm 1986 - 1988, một lượng BTĐL lớn cũng đã được sử dụng tại cảng biển Conley và Moran. Năm 1985 tại sân bay Quốc tế Portland, BTĐL đã được sử dụng để làm bãi đỗ cho máy bay với chiều dày 356mm tổng diện tích khoảng 36.000m2. Dự án BTĐL cho sân bãi lớn nhất tại Mỹ đã được thực hiện ở cơng trình xây dựng nhà máy ơ tơ của hãng General Motor tại Spring Hill - Tennessee vào năm 1988 với tổng diện tích 543.000m2 BTĐL và chiều dày lớp BTĐL từ (200 ÷ 250)mm. Năm 1996, các kỹ sư Canada đã ứng dụng BTĐL hiệu quả cao (High performance - Roller Compacted Concrete) để thi cơng sân bãi thuộc dự án nhà máy sản xuất bột giấy Domtar tại Montreal- Canada. Với diện tích sân khoảng 78.000m2 (26.000m3), cơng trình này đã được thực hiện trong khoảng 13 tuần.
Ngồi Mỹ và Canada, Nhật Bản cũng là nước có nhiều cơng trình đường và sân bãi ứng dụng BTĐL. Đến năm 1999, ở Nhật Bản đã có khoảng 1.400.000m2 đường và 700.000m2 sân bãi được thi cơng bằng cơng nghệ BTĐL.
Lịch sử phát triển cơng nghệ bê tơng đầm lăn ở một số nước được minh họa trong sơ đồ hình 1.10.
Hình 1.10. Sơ đồ lịch sử phát triển cơng nghệ bê tông đầm lăn làm mặt đường, mặt bãi theo [74]
1.2.1.2. Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng
1. Cơng trình nghiên cứu “Hướng dẫn thiết kế & thi công mặt đường bê tông đầm
lăn” của trung tâm công nghệ mặt đường bê tông quốc gia thuộc viện giao thông trường đại học IOWA – Mỹ, 2011[74].
Đây được coi là tài liệu hướng dẫn đầy đủ nhất cho các nhà thiết kế mong muốn ứng dụng công nghệ BTĐL vào xây dựng mặt đường giao thông như:
- Yêu cầu về thành phần vật liệu và các phương pháp thiết kế thành phần cấp phối BTĐL theo tiêu chuẩn ASTM C33.
- Nghiên cứu các đặc trưng cơ lý của bê tơng đầm lăn qua các tiêu chuẩn thí nghiệm như ASTM C1435, ASTM C39, ASTM C42... và đưa ra những kết luận quan trọng làm nền tảng cho việc ứng dụng cho mặt đường giao thơng như:
Cường độ chịu nén: (28 41)MPa, chịu kéo uốn: (3,5 7)MPa, mơ đun đàn hồi, cường độ liên kết, độ co ngót, khả năng chống thấm và khả năng chịu băng giá.
- Trình tự thiết kế mặt đường BTĐL dùng chủ yếu cho khu cơng nghiệp nặng và những loại đường chịu các loại xe cộ với tải trọng khác nhau như xe tải, ơ tơ và xe bt. Dựa trên chương trình thiết kế mặt đường RCC – PAVE của Hiệp hội xi măng pooclang PCA với các yếu tố cần quan tâm như: loại tải trọng, lưu lượng xe, đặc điểm bề mặt và khe liên kết. - Trình tự thi cơng mặt đường bê tơng đầm lăn. Cơng trình nghiên cứu đã đưa ra khá nhiều ưu điểm của loại mặt đường này: Khả năng chịu tải trọng tương tự như mặt đường bê tơng thường; Tuổi thọ cơng trình cao; Khả năng thơng xe nhanh, sớm đưa cơng trình vào khai thác sử dụng; Mặt đường BTĐL sáng hơn nên giảm u cầu về chiếu sáng; Có thể sử dụng cả hai loại cấp phối cốt liệu tự nhiên và cấp phối cốt liệu nhân tạo; Mức độ ổn định nhiệt cao hơn so với bê tơng xi măng thơng thường; Phụ thuộc vào cơng nghệ trộn, bề dầy tấm có thể lên đến 25,4cm; Chi phí cơng trình giảm do lượng xi măng được giảm đáng kể. Bên cạnh đó, cơng trình nghiên cứu cũng chỉ ra một số hạn chế là: Độ bằng phẳng khơng cao; Lề đường khó thi cơng; Do lượng nước sử dụng ít, độ sụt bằng khơng, nên u cầu về trộn và vận chuyển khá chặt chẽ, để tránh khả năng phân tầng của vật liệu;
Trong thời tiết nóng, mặt đường BTĐL cần yêu cầu tưới nước để đảm bảo q trình thủy hóa cho xi măng.
2. Cơng trình nghiên cứu mặt đường bê tông đầm lăn của Viện bê tông Hoa kỳ (ACI) , năm 1995 [33].
Gần đây, mặt đường bêt tơng đầm lăn đã và đang phát triển ở nhiều nước trên thế giới do những tính năng ưu việt của nó. Cơng trình nghiên cứu của ACI đã đưa ra các ứng dụng của cơng nghệ này trong các loại mặt đường phục vụ cho hạ tầng giao thông đồng thời cũng cung cấp đầy đủ về những yêu cầu vật liệu, phương pháp thiết kế, thi
Việc lựa chọn vật liệu, cũng như cấp phối tỷ lệ giữa các thành phần, đều được tiến hành thí nghiệm chặt chẽ từ lý thuyết đến thực nghiệm. Các chun gia bê tơng đã đưa ra những kết luận quan trọng như: Cấp phối cốt liệu lớn và nhỏ phải phù hợp với tiêu chuẩn ASTMC33; Kích cỡ cốt liệu lớn nên < 19mm; Thành phần tro bay: 15% 20% khối lượng chất kết dính; Chất kết dính: (208 356)kg/m3.
3. Cơng trình nghiên cứu mặt đường bê tơng đầm lăn cho đường ô tô và đường cao tốc của Hiệp hội xi măng Portland (PCA)- Mỹ, năm 2005[77].
- Khẳng định BTĐL là vật liệu ưu việt trong sử dụng cho kết cấu mặt đường như chịu được tải trọng lớn, ổn định nhiệt, thi công nhanh và tiết kiệm.
- Tuy nhiên nhược điểm chính của mặt đường BTĐL, chính là kém bằng phẳng trên bề mặt, làm hạn chế tốc độ xe chạy. Cơng trình nghiên cứu đã đưa ra giải pháp để khắc phục, đó là sử dụng bê tơng nhựa làm lớp phủ mỏng bên trên, tạo nên sự êm thuận cần thiết. - Bên cạnh đó việc kết hợp hai loại vật liệu này cịn đem lại nhiều thuận tiện, khắc phục được một số hạn chế của mặt đường mềm như: Hạn chế cơng việc duy tu, sửa chữa do tuổi thọ cơng trình được nâng cao; Giảm thiểu sự đứt gãy khi chịu tải trọng, cùng với sự êm thuận của mặt đường với lớp mặt dưới là BTĐL dày 25cm và lớp phủ bề mặt là bê tơng nhựa dày 5cm; Mặt đường BTĐL khá phù hợp với bề rộng mặt đường lớn; Thời gian thi cơng nhanh và sớm đưa vào khai thác sử dụng nên hạn chế được ách tắc giao thơng đặc biệt là trong những khu vực đơ thị.
4. Cơng trình nghiên cứu ứng dụng bê tơng đầm lăn cho đường giao thông ở Colorado của nhóm tác giả Nattapong, Yu- Chang Liang và Yunping Xi thuộc Khoa cơng trình trường đại học Colarado tại Boulder, 8/2012,[75].
- Nghiên cứu các đặc tính cơ lý chủ yếu của bê tơng đầm lăn thơng qua thí nghiệm như: độ co ngót, độ ổn định trong điều kiện đóng băng & tan băng, cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn.
- Đánh giá mặt đường BTĐL qua 9 tháng 2 năm theo dõi sau khi được đưa vào sử dụng. Trên cơ sở đó so sánh các phương án với nhau và đã được báo cáo vào tháng 8/2012, đưa ra được những kết luận sau:
Khe co, khe giãn nên có trong mặt đường BTĐL nó sẽ giảm đáng kể đứt gãy, nứt;
Khả năng co ngót ổn định hơn so với bê tơng xi măng thơng thường;
Tuy nhiên cũng có một vấn đề, đó là sự suy thối bề mặt của BTĐL là khá cao. - Tỷ lệ các thành phần, theo PCA như sau:
Xi măng: (238 356)kg/m3; cốt liệu lớn: (1009 1305)kg/m3; cốt liệu nhỏ: (771 1009)kg/m3; nước: (0,078 0,114)m3; tỷ lệ N/X : 0,3 0,45.
- Thành phần khơng thể thiếu của BTĐL là tro bay, nó vừa góp phần giảm giá thành sản phẩm, đồng thời cịn tăng tính cơng tác cho bê tơng. Qua nghiên cứu với 10% - 20% lượng tro bay được thay thế cho cốt liệu nhỏ, thì cường độ của BTĐL tăng lên 19% - 23%.
5. Cơng trình nghiên cứu mặt đường bê tông đầm lăn cho giao thông theo dự án phát triển của chính phủ Ấn Độ, của trung tâm thí nghiệm thuộc ngành cơng trình trường đại học Purdue, 11/2010, [64]
- Khẳng định lại những điểm mạnh của BTĐL và các hạn chế của nó giống như các cơng trình nghiên cứu trước đó.
- Dự án cũng đưa ra phương án để khắc phục nhược điểm của mặt đường bê tơng đầm lăn, đó là sử dụng lớp bê tơng nhựa làm lớp bề mặt.
- Bên cạnh đó, dự án cũng chủ yếu đưa ra trình tự thiết kế và thi cơng mặt đường BTĐL, chưa phân tích đánh giá về khía cạnh cơ sở lý luận.