i
l
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU
1
1. Đặt vấn đề
1
2. Mục đích nghiên cứu
2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ ỨNG DỤNG TRONG
XÂY DỰNG ĐƯỜNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
3
1.1. Khái niệm về bê tông đầm lăn
3
1.1.1. Quá trình hình thành cường độ
1.2.1.1. Lịch sử ra đời và quá trình phát triển
15
1.2.1.2. Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng
18
1.2.2. Tại Việt Nam
21
1.2.2.1. Thực trạng ứng dụng BTĐL
21
1.2.2.2. Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu và ứng dụng BTĐL
24
1.2.2.3. Tiềm năng ứng dụng công nghệ BTĐL
27
i
ii
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ
36
THÀNH PHẦN BÊ TÔNG ĐẦM LĂN
36
2.1. Nghiên cứu vật liệu sử dụng
36
2.1.1. Cốt liệu lớn và nhỏ
36
2.1.1.1. Cốt liệu lớn
36
2.1.1.2. Cốt liệu nhỏ
37
2.1.1.3. Lựa chọn hợp lý cấp phối các cốt liệu
38
2.1.1.4. Đánh giá các cấp phối cốt liệu bằng thực nghiệm
53
53
iii
2.2.1.1. Độ công tác
53
2.2.1.2. Cường độ chịu nén và kéo uốn
64
2.2.2. Xác định phương pháp thiết kế thành phần BTĐL
72
2.2.2.1. Trình tự thiết kế
72
2.2.2.2. Đánh giá độ tin cậy
73
2.3. Kết luận chương 2
78
84
3.2.2. Cường độ chịu kéo khi uốn
86
3.2.2.1. Quan hệ giữa cường độ chịu kéo khi uốn và cường độ chịu nén
86
3.2.2.2. Ảnh hưởng của tải trọng trùng phục đến cường độ chịu kéo uốn
89
3.2.3. Mô đun đàn hồi
91
3.2.5. Độ mài mòn
94
3.3. Tính chất vật lý
97
3.3.1. Khối lượng thể tích
97
4.1.1. Yêu cầu về thiết kế cấu tạo mặt đường
112
4.1.2. Yêu cầu kỹ thuật lớp móng mặt đường
113
4.1.3. Yêu cầu đối với vật liệu
114
4.2. Tính toán và đề xuất kết cấu áo đường với vật liệu BTĐL
115
4.2.1. Các thông số thiết kế mặt đường
115
4.2.2. Đề xuất mô hình kết cấu áo đường BTĐL cho đường giao thông cấp thấp
117
4.2.2.1. Xác định chiều dài cho phép của tấm BTĐL
117
4.2.2.2. Phân tích kết cấu mặt đường dùng BTĐL làm lớp mặt cho đường cấp thấp
124
5. Hướng nghiên cứu tiếp theo
124
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
II
iv
I
v
PHỤ LỤC A. KHÁI QUÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ
THÀNH PHẦN HẠT TỐI ƯU
VIII
IX
PHỤ LỤC B. TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BTĐL THEO
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP
XVII
BTXM
Bê tông xi măng không có phụ gia khoáng
KLTT
Khối lượng thể tích
TTTĐ
Thể tích tuyệt đối
TTHH
Thể tích hỗn hợp
PP
Phương pháp
N/CKD
Tỷ lệ nước và chất kết dính
CKD
Chất kết dính
C/CL
HHBT
Hỗn hợp bê tông
HH
Hỗn hợp
TPH
Thành phần hạt
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
PPTK
Phương pháp thiết kế
KLTT
Khối lượng thể tích
TKBT
Thiết kế bê tông
CTE
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc điểm chính của BTĐL
5
Bảng 1.2. Một số công trình đập đã được xây dựng ở trong nước
22
Bảng 1.3. Bảng tính cường độ yêu cầu khi không có dữ liệu thí nghiệm
30
(theo tiêu chuẩn ACI)
30
Bảng 1.4. Các chỉ tiêu cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông làm đường
31
theo Tiêu chuẩn 22TCN 223-95
31
49
Bảng 2.9. Vùng biến đổi của các biến
55
Bảng 2.10. Kết quả thí nghiệm tính công tác của BTĐL
56
Bảng 2.11. Thông tin mô hình hồi quy cho kết quả thí nghiệm độ công tác
57
Bảng 2.12. Phân tích phương sai ANOVA cho mô hình hồi quy đã xây dựng
58
Bảng 2.11. Kết quả lượng nước hợp lý của BTĐL
63
Bảng 2.12. Thành phần bê tông đầm lăn tính cho 1m3
65
Bảng 2.13. Cường độ chịu nén trung bình của BTĐL với tỷ lệ N/CKD và TB
66
Bảng 2.20. Thống kê kết quả thí nghiệm cường độ nén
74
Bảng 3.1. Kết quả đo tính công tác VC, s
80
Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm độ kháng xuyên của vữa BTĐL
83
Bảng 3.3. Thành phần vật liệu và kết quả cường độ chịu nén của BTĐL
84
Bảng 3.4. Mối quan hệ giữa cường độ nén (Rn) với thời gian t tính theo Ln(t)
86
Bảng 3.5. Kết quả cường độ chịu uốn tương ứng với cường độ nén
86
Bảng 3.6. Kết quả cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo uốn
88
Bảng 3.7. Kết quả mô đun đàn hồi tương ứng với cường độ nén
Bảng 4.3. Ứng suất chịu tải trọng và nhiệt của các mô hình kết cấu
120
Bảng A.1. Lượng sót trên mỗi mắt sàng, %
xiv
Bảng B.1. Xác định thể tích đặc của cốt liệu lớn Vđ
xvii
Bảng B.2. Hệ số hồi quy và loại cốt liệu
xix
Bảng B.3. Lượng nước sơ bộ
xix
Hình B.3. Biểu đồ quan hệ giữa độ ẩm và tỷ trọng khô
xxiii
Hình B.4. Biểu đồ quan hệ giữa cường độ nén và chất kết dính
xxiv
12
Hình 1.7. Hình ảnh thi công mặt đường BTĐL [74]
14
Hình 1.8. Biểu đồ về quá trình phát triển cường độ của BTT và BTĐL [74]
14
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].
15
Hình 1.10. Sơ đồ lịch sử phát triển công nghệ bê tông đầm lăn làm mặt đường, mặt bãi
theo [74]
18
Hình 1.11. Xây dựng đập BTĐL thủy điện Trung Sơn (Thanh Hóa)
23
Hình 1.12. Thi công thử nghiệm mặt đường BTĐL - IBST thực hiện 2001[13]
24
Hình 1.13. Quá trình thay đổi ứng suất do co ngót và phát triển cường độ chịu kéo của bê
tông theo thời gian
32
Hình 2.1. Các cỡ hạt cốt liệu tại các cỡ sàng khác nhau
41
61
Hình 2.10. Quan hệ giữa VC, N/CKD và C/CL với N = 120l
62
x
xi
Hình 2.11. Sự phát triển cường độ của bê tông
64
Hình 2.11. Các mẫu được đúc, bảo dưỡng và nén để xác định cường độ
66
Hình 2.12. Quan hệ giữa Rn28 với tỷ lệ N/CKD
67
Hình 2.13. Quan hệ giữa Rn28 của BTĐL với tỷ lệ CKD/N
69
Hình 2.14. Quan hệ giữa Rku28 với tỷ lệ N/CKD
Hình 3.5. Quan hệ giữa cường độ nén và cường độ kéo uốn
88
Hình 3.6. Sự phát triển cường độ kéo uốn theo thời gian [68]
89
Hình 3.7. Quan hệ giữa tải trọng trùng phục và sự suy giảm cường độ kéo uốn [9]
90
Hình 3.8. Hình ảnh thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi
91
Hình 3.9. Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén
92
Hình 3.10. Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi
94
Hình 3.11. Thiết bị thí nghiệm mài mòn
95
Hình 3.13. Mẫu thử mài mòn theo TCVN 3114-93
Hình 3.19. Ảnh hưởng của nước và xi măng đến độ co ngót [60]
101
Hình 3.20. Đúc mẫu bằng bàn rung, mẫu và tủ bảo dưỡng đo co ngót
102
Hình 3.21. Chi tiết thiết bị đo
102
Hình 3.22. Thí nghiệm đo độ co ngót
103
Hình 3.23. Co ngót tổng cộng của
104
BTT và BTĐL
104
Hình 3.24. Quan hệ độ co ngót BTĐL - thời gian
104
Hình 3.25. Co ngót nội sinh của
Hình 3.31. Mối quan hệ giữa CTE và mức độ đứt gãy [83]
110
Hình 3.32. Mối quan hệ giữa CTE và độ bằng phẳng IRI [83]
110
Hình 4.1. Mặt bằng bố trí tấm BTĐL
118
Hình 4.2. Mô hình kết cấu 1 (KC1)
119
Hình 4.3. Mô hình kết cấu 2 (KC2)
119
Hình 4.4. Mô hình kết cấu 3 (KC3)
119
Hình 4.5. Biểu đồ ứng suất tính toán của các kết cấu
120
Hình 4.6. Lớp móng BTĐL (KC4)
Trong quá trình phát triển với sự xuất hiện của nhiều vật liệu mới và công nghệ thi
công liên tục được cải tiến đã thúc đẩy sự ra đời của nhiều loại mặt đường, trong đó phải
kể đến công nghệ bê tông đầm lăn. Bê tông đầm lăn (BTĐL) là bê tông không có độ sụt
được đầm chặt bằng lu rung với thành phần tương tự như bê tông xi măng. Công nghệ
này bắt đầu được áp dụng từ những năm 60 ở một số nước như Canada, Italia, Đài loan
và sau đó đã được lần lượt áp dụng ở nhiều nước khác nhờ các đặc tính ưu việt như tốc
độ thi công nhanh, giá thành thấp so với bê tông thông thường (BTT), đặc biệt là cho một
số đập thủy lợi, thủy điện lớn. Đối với công nghệ mới này, sự lựa chọn loại vật liệu sử
dụng, sau đó là chất lượng và lượng dùng của chúng là nhân tố chính ảnh hưởng đến chất
lượng và giá thành của sản phẩm. Giống như với BTT, các thành phần vật liệu của BTĐL
gồm: chất kết dính, cốt liệu, nước và phụ gia hóa học. Tuy nhiên điểm khác giữa hai loại
bê tông này là chất kết dính sử dụng cho BTĐL ngoài xi măng còn có thêm phụ gia
khoáng được xem như là thành phần bắt buộc. Phụ gia khoáng có vai trò quan trọng trong
việc cải thiện các tính chất của bê tông và thỏa mãn các yêu cầu cần thiết trong qui trình
thi công.
Ở Việt Nam những năm gần đây, hàng loạt các công trình thủy điện được xây
dựng mà ở đó vai trò của BTĐL đã thực sự được khẳng định. Tuy nhiên, việc ứng dụng
BTĐL trong xây dựng hạ tầng giao thông chưa có nhiều. Trong khi đó hàng loạt các công
trình đường giao thông qua các vùng thường xuyên chịu lũ lụt, các bãi đỗ xe, sân cảng và
sân bãi các công trình công nghiệp lớn, đang và sẽ được xây dựng trong tương lai gần.
BTĐL và là cơ sở ứng dụng vật liệu trong công tác thiết kế kết cấu áo đường cứng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng của luận án là nghiên cứu BTĐL để ứng dụng trong xây dựng đường
giao thông ở Việt Nam.
Phạm vi nghiên cứu là lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần, xác định một số tính
chất cơ bản của BTĐL trong phòng thí nghiệm. Trên cơ sở đó đề xuất một số phương án
kết cấu phù hợp với các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế và điều kiện môi trường ở Việt Nam.
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ ỨNG DỤNG TRONG
XÂY DỰNG ĐƯỜNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
Mục đích của chương này nhằm đánh giá tình hình nghiên cứu, ứng dụng vật liệu
bê tông đầm lăn trong nước và trên thế giới, từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu của luận
án cho ứng dụng trong xây dựng đường ở Việt Nam.
1.1. Khái niệm về bê tông đầm lăn
4
tỷ lệ rắn so với lỏng ngày một tăng, hỗn hợp mất dần tính dẻo, các sản phẩm ở thể keo
liên kết với nhau thành thể ngưng keo.
- Giai đoạn kết tinh: nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi, các sản phẩm mới
ngày càng nhiều, chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho cả
hệ thống hóa cứng. Đến cuối giai đoạn đông kết cấu trúc của hồ xi măng được hình thành
làm cho nó biến đổi thành đá xi măng và khả năng chịu lực tăng lên. Sự hình thành cấu
trúc của đá xi măng trải qua các quá trình vật lý và hóa học phức tạp, là sự biến đổi tổng
hợp mà ở đó các quá trình xảy ra đồng thời, xen kẽ và tác dụng tương hỗ nhau.
Mặc dù, trong BTĐL lượng nước và lượng xi măng ít hơn nhiều so với BTT, song
các quá trình thủy hỏa của xi măng vẫn diễn ra phức tạp như bản chất vốn có của nó,
đồng thời là cơ sở căn bản cho sự hình thành cường độ bê tông sau này. Tuy nhiên, do
lượng hồ xi măng không đủ lấp đầy khoảng rỗng giữa các hạt cốt liệu và bôi trơn bề mặt
các hạt cốt liệu, nên hỗn hợp bê tông bị rời rạc và kém dẻo. Sự bổ sung của thành phần
phụ gia khoáng (PGK) cùng với xi măng tạo thành chất kết dính cho cốt liệu lớn (bộ
khung chịu lực chính của kết cấu). Phụ gia khoáng sẽ góp phần tăng thể tích hồ, bổ sung
lượng hạt mịn còn thiếu để lấp đầy lỗ rỗng tại các khe giữa các hạt cốt liệu tăng tính dẻo
cho hỗn hợp, tăng độ đặc chắc cho bê tông, do đó làm tăng khả năng chịu lực và chống
thấm của bê tông. Ngoài ra, nó còn làm giảm lượng nhiệt tỏa ra từ các sản phẩm của quá
trình thủy hóa xi măng, giảm độ co ngót cho bê tông, đây là nguyên nhân chính gây ra
rạn nứt phá hoại kết cấu bê tông sau này.
Bên cạnh đó, lực chấn động cũng là yếu tố quan trọng khác góp phần hình thành
nên cường độ cho BTĐL. Trong giai đoạn đầu, nhờ máy trộn cưỡng bức, các thành phần
Trong xây dựng đường
Lượng chất kết dính (kg/m3)
60 250
Tỷ lệ N/CKD
0,4 0,8
0,3 0,4
75
20
15
45
10 25
30 60
Đường kính của cốt liệu lớn (mm)
Cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi
(MPa)
-
Trong hỗn hợp tối ưu, sự cản trở của các hạt vật liệu là tối thiểu do đó đáp ứng
tốt với đầm rung có biên độ và tần số cao.
Hỗn hợp tối ưu không được sử dụng cho mọi công trình xây dựng do có sự thay
đổi những yêu cầu trong quá trình thi công và hoàn thiện. Do vậy, mà cấp phối trộn các
cốt liệu được tính toán theo các tiêu chuẩn tối ưu mới chỉ là những định tính ban đầu,
việc tiến hành thực nghiệm là rất quan trọng nhằm đánh giá cụ thể hơn nữa về cốt liệu sử
dụng có phù hợp hay không.
1.1.2.2. Phương pháp thiết kế cấp phối
Lựa chọn PPTK thành phần hỗn hợp BTĐL hợp lý là một bước rất quan trọng đảm
bảo chất lượng của bê tông, đồng thời đảm bảo tính kinh tế và tính bền lâu cho công
trình. Để BTĐL đạt được độ chặt như yêu cầu thì hỗn hợp phải đủ khô để chịu được tác
động của thiết bị đầm lăn và phải đủ ướt để cho phép chất kết dính đủ để phân bố, bao
bọc và lấp đầy chỗ trống giữa các cốt liệu trong quá trình trộn và đầm nén.
Hiện nay có rất nhiều PPTK thành phần bê tông đã được đề xuất và ứng dụng trên
toàn thế giới cho hỗn hợp BTĐL. Do vậy, rất khó để xác định phương pháp nào để làm
chuẩn, tuy nhiên có hai quan điểm thiết kế hỗn hợp BTĐL chính như sau:
- Quan điểm bê tông: dựa vào tỷ lệ N/CKD được giữ không đổi và hỗn hợp trộn
được xác định bằng khối lượng tuyệt đối.
- Quan điểm cơ học đất: dựa vào mối quan hệ giữa chất kết dính, cốt liệu và hỗn
hợp được trộn xác định bởi độ ẩm tối ưu và tỷ trọng khô lớn nhất.
Dù thiết kế theo bất kỳ phương pháp nào thì mục đích chính của việc thiết kế BTĐL đều
phải đảm bảo các yếu tố như:
Các thông số còn lại tính toán từ phương trình thể tích tuyệt đối (TTTĐ) (trình tự các
bước thiết kế xem phụ lục B).
Nhận xét:
- Phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng theo thể tích tuyệt đối;
- Trong biểu đồ lựa chọn các tỷ lệ, cường độ nén của BT chỉ giới hạn bởi một số
cường độ cụ thể như: 13,79MPa ở 90 ngày tuổi; 20,68MPa; 27,58MPa; 34,47 MPa ở 28
ngày tuổi. Do vậy, khi thiết kế thành phần bê tông mác cao hơn trong xây dựng đường thì
việc sử dụng phương pháp này bị hạn chế.
8
Phương pháp RCCD (Roller -Compacted Concrete Dams) - Trung Quốc
Thiết kế thành phần tương tự như BTT, dùng nguyên lý bao bọc lấp kín và tính
toán các thành phần bằng phương trình TTTĐ (trình tự các bước thiết kế xem phụ lục B).
Việc tính hàm lượng CKD dựa trên công thức:
- Rckd là cường độ chất kết dính được xác định theo TCVN 6016:2011.
Thiết kế thành phần hỗn hợp BTĐL theo quan điểm cơ học đất
- Phương pháp được thiết lập dựa trên mối quan hệ giữa tỷ trọng ướt và tỷ trọng
khô với độ ẩm của hỗn hợp bằng việc đầm chặt mẫu với những độ ẩm khác nhau. Nó
cũng khá giống phương pháp dùng để xác định mối quan hệ giữa độ ẩm và tỷ trọng của
đất.
- Nguyên lý lèn được phát triển bởi Proctor rất sớm từ năm 1930 – 1940, Proctor
đã chỉ ra rằng với một năng lượng lèn xác định, tồn tại một giá trị độ ẩm tối ưu để cho
hỗn hợp được lèn chặt tối đa (KLTT lớn nhất). Khi tăng năng lượng lèn, hệ số lèn chặt
tăng lên trong khi độ ẩm tối ưu tương ứng giảm đi.
9
- Dựa trên nguyên lý này, khối lượng thể tích khô của hỗn hợp BTĐL được sử
dụng như một chỉ số để thiết kế thành phần BTĐL theo quan điểm cơ học đất. KLTT khô
độc lập với hàm lượng nước và được tính toán từ KLTT ướt theo công thức:
- Tuy nhiên BTĐL là một loại bê tông đặc biệt với độ sụt bằng không, nó vẫn đảm
bảo tính năng là bê tông, với sự ảnh hưởng lẫn nhau của các thành phần trong hỗn hợp,
không tách rời hay độc lập như thành phần của đất.
Kết luận:
- Qua những khảo sát về mặt lý thuyết ban đầu, hai quan điểm thiết kế trên đây
đều có đặc điểm chung là TKBT không có độ sụt và đều đi tìm lượng nước tối ưu cho cấp
phối;
- Phương pháp thiết kế bê tông thể hiện được tính chất lấp đầy lỗ rỗng bởi hồ xi
măng giữa các hạt cốt liệu. Mặc dù vậy, phương pháp này chưa nêu bật được sự liên quan
giữa đặc điểm đầm nén trong thiết kế, mà đây lại là một điểm khác biệt cơ bản giữa
BTĐL với các BTT khác;
10
- Thí nghiệm đầm nén dùng Proctor cải tiến là biện pháp có hiệu quả cho việc lựa
chọn hàm lượng nước để vừa đảm bảo tính công tác cũng như các tính chất khác cho
11
- Thiết bị lèn: lu rung bánh thép có tải trọng động (5 7)kg/mm chiều rộng bánh.
Biên độ dao động (0,5 0,8)mm. Tần số rung 40Hz 60Hz (2400 3600)vòng/phút. Sơ
đồ thi công như trong hình 1.1.
Hình 1.1. Sơ đồ thi công mặt đường bằng công nghệ BTĐL
- Thiết bị lu hoàn thiện mặt: lu bánh lốp có hệ thống phun nước, tải trọng (1,2
1,5) T/bánh.
- Các thiết bị khác: thiết bị phun nước bảo dưỡng áp lực P > 40 at, máy cắt khe co,
khe giãn có khả năng cắt sâu trên 10cm.
Hỗn hợp BTĐL sau khi trộn đạt được tính công tác cần thiết với độ cứng thử trên
thiết bị Vebe cải tiến từ (20 40)s được chuyển đến hiện trường bằng xe tự đổ. Sau đó
HHBT được rải bằng máy rải với chiều rộng và chiều dày theo thiết kế. Sau khi rải, thay
vì được đầm chặt bằng thiết bị đầm dùi như BTT, BTĐL được làm chặt từ mặt ngoài
bằng xe lu với tải trọng lèn và thời gian lèn thích hợp. Sau khi kết thúc quá trình làm
chặt, bề mặt bê tông được hoàn thiện lại bằng xe lu lốp. Sau 1 ngày tiến hành cắt khe co
1. Cấp phối vật liệu:
- BTT: cốt liệu lớn và nhỏ thường chiếm từ 60% 75% thể tích hỗn hợp (TTHH);
tỷ lệ N/XM dao động trong khoảng 0,4 0,45, làm vữa xi măng đủ ướt để tạo nên một
lớp bao bọc lấy các cốt liệu và nhét đầy các lỗ rỗng giữa chúng.
- BTĐL: cấp phối cốt liệu được yêu cầu chặt chẽ hơn và thường chiếm từ 75%
85% TTHH; hỗn hợp thường trộn khô hơn so với BTT do lượng dùng nước thấp hơn.
So sánh hàm lượng các vật liệu trong BTĐL và BTT như trong hình 1.6.
Hình 1.6. Biểu đồ vật liệu sử dụng trong BTĐL và BTT [74]
13
2. Độ công tác
- BTT: là hỗn hợp bê tông (HHBT) có độ lưu động, tính công tác được xác định
bằng độ sụt (tính bằng cm). Hỗn hợp lưu động được nhào trộn tốt là một hỗn hợp dẻo có
như thể lỏng. Nhờ đó, trong quá trình gia công chấn động, các phần tử HH được sắp xếp
lại chặt chẽ hơn và trên thực tế hỗn hợp được đầm chặt (hình 1.7).