Bộ giáo dục và đào tạo
Trường Đại học giao thông vận tải
------------------
nguyN TH THU NG
NGHIấN CU CC THễNG S CH YU
CA Bấ TễNG M LN TRONG TNH TON
KT CU MT NG ễ Tễ V SN BAY
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Hà nội - 2016
Bộ giáo dục và đào tạo
Trường Đại học giao thông vận tải
------------------
NGUYN TH THU NG
NGHIấN CU CC THễNG S CH YU
CA Bấ TễNG M LN TRONG TNH TON
KT CU MT NG ễ Tễ V SN BAY
chuyên ngành : xây dựng đường ô tô và đường thành phố
Mã số
: 62.58.02.05
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
3
1.1. Khái niệm về bê tông đầm lăn
3
1.1.1. Quá trình hình thành cường độ
3
1.1.2. Đặc điểm của BTĐL
5
1.1.2.1.Thành phần vật liệu
5
1.1.2.2. Phương pháp thiết kế cấp phối
6
1.1.2.3. Công nghệ thi công
10
1.1.3. Những điểm khác nhau cơ bản giữa BTT và BTĐL
12
1.2.2.3. Tiềm năng ứng dụng công nghệ BTĐL
27
i
ii
1.3. Các thông số chủ yếu của vật liệu bê tông cho thiết kế mặt đường ô tô và đường
sân bay ở Việt Nam
28
1.4. Những vấn đề tồn tại luận án cần giải quyết
33
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
34
1.5.1. Mục tiêu
34
1.5.2. Nội dung
34
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
45
2.1.2. Xi măng
47
2.1.3. Phụ gia khoáng
47
2.1.3.1. Phân loại và yêu cầu kỹ thuật phụ gia khoáng trong BTĐL
47
2.1.3.2. Vai trò của phụ gia khoáng
50
2.1.3.3. Cơ sở lựa chọn lượng PGK trong BTĐL
51
72
2.2.2.2. Đánh giá độ tin cậy
73
2.3. Kết luận chương 2
78
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CHỦ YẾU
79
CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN
79
3.1. Tính chất công tác
79
3.1.1. Yêu cầu về độ công tác trong xây dựng đường
79
3.1.2. Đánh giá tổn thất độ công tác
80
94
3.3. Tính chất vật lý
97
3.3.1. Khối lượng thể tích
97
2.3.2. Độ co ngót
98
3.3.3. Hệ số giãn nở nhiệt
106
Kết luận chương 3
111
iii
iv
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO THIẾT KẾ
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
118
4.2.3. Tính toán kết cấu móng mặt đường cứng sử dụng BTĐL làm lớp móng
121
4.3. Kết luận chương 4
122
PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
123
1. Kết luận
123
2. Những đóng góp mới của luận án
VIII
IX
PHỤ LỤC B. TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BTĐL THEO
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP
XVII
PHỤ LỤC C. BẢNG TÍNH CÁC KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG
XXV
PHỤ LỤC D. KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG CỨNG VỚI MÓNG BTĐL
XXX
v
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Ý nghĩa
BTĐL
N/CKD
Tỷ lệ nước và chất kết dính
CKD
Chất kết dính
C/CL
Tỷ lệ cát và cốt liệu
XM
Xi măng
PGK
Phụ gia khoáng
TB
Tro bay
N
Nước
C
KLTT
Khối lượng thể tích
TKBT
Thiết kế bê tông
CTE
Hệ số giãn nở nhiệt
MĐĐL
Mô đun độ lớn
vi
vii
VC
Độ công tác
CSH
Sản phẩm ettrignit
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
Bảng 2.1. Tính chất cơ lý của cốt liệu lớn
36
Bảng 2.2. Tính chất cơ lý của cốt liệu nhỏ
37
Bảng 2.3. Thành phần hạt cốt liệu cát và đá dăm
40
Bảng 2.4. Kết quả tính toán chi tiết các cấp phối cốt liệu theo từng mức ngậm cát
42
Bảng 2.5. Chỉ số độ thô của các cấp phối
43
Bảng 2.6. Bảng thành phần cấp phối BTĐL với mức ngậm cát khác nhau.
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 2.14. Phương trình tương quan giữa Rn28 của BTĐL và tỷ lệ N/CKD
67
Bảng 2.15. Hệ số hồi quy A, B khi thay đổi hàm lượng TB
69
Bảng 2.16. Cường độ chịu kéo uốn trung bình với tỷ lệ N/CKD và TB
69
Bảng 2.17. Phương trình tương quan giữa Rku28 và tỷ lệ N/CKD
70
viii
ix
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
92
Bảng 3.8. Kết quả mô đun đàn hồi tương ứng với cường độ nén
93
Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm độ mài mòn của bê tông
96
Bảng 3.10. Thành phần hỗn hợp BTĐL và BTT
101
Bảng 3.11. Độ giãn nở nhiệt CTE với các loại cốt liệu khác nhau
106
(theo Jahangirnejad et al – 2009, Neville và Brooks - 1987), [72]
106
xxiii
Hình B.4. Biểu đồ quan hệ giữa cường độ nén và chất kết dính
xxiv
ix
x
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ thi công mặt đường bằng công nghệ BTĐL
11
Hình 1.2. Rải hỗn hợp BTĐL
11
Hình 1.3. Lu lèn BTĐL bằng lu rung
11
Hình 1.4. Hoàn thiện bề mặt BTĐL bằng lu bánh hơi
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
Hình 2.2. Cấp phối các cốt liệu theo mức ngậm cát
42
Hình 2.3. Chỉ số độ thô của các cấp phối cốt liệu
44
Hình 2.4. Mối quan hệ giữa tỷ lệ C/Cl và độ cứng VC
46
Hình 2.5. Mối quan hệ giữa tỷ lệ C/Cl và cường độ chịu nén
46
Hình 2.6. Toạ độ các điểm thí nghiệm theo không gian
55
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
70
Hình 2.15. Quan hệ giữa Rku và Rn
71
Hình 2.16. Biểu đồ kiểm soát chất lượng BTĐL có mác M30
76
Hình 2.17. Biểu đồ kiểm soát chất lượng BTĐL có mác M35
76
Hình 3.1 Độ cứng HHBTĐL theo thời gian (tmt= 200C 30oC)
81
Hình 3.2 Sự thay đổi thời gian đông kết của vữa BTĐL
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
95
Hình 3.13. Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và độ mài mòn
97
Hình 3.14. Hình ảnh quá trình đúc mẫu và cân đo mẫu sau khi tháo khuôn
98
Hình 3.15. Sơ đồ các giai đoạn và các kiểu co ngót của bê tông [16]
98
Hình 3.16. Nhiệt lượng tỏa ra theo thời gian
98
Hình 3.17. Ứng suất kéo các hạt xi măng xích lại gần nhau do các phân tử nước thoát ra
ngoài
BTT và BTĐL
104
Hình 3.24. Quan hệ độ co ngót BTĐL - thời gian
104
Hình 3.25. Co ngót nội sinh của
104
BTĐL và BTT
104
Hình 3.26. Co ngót khô của
104
BTĐL và BTT
104
Hình 3.27. Các thiết bị thí nghiệm dùng để xác định CTE
107
Hình 3.28. Sơ đồ xác định độ giãn nở của bê tông do nhiệt
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)
121
Hình A.1. Phạm vi cấp phối thành phần hạt theo ASTM C33
xi
Hình A.2. Biểu đồ chỉ số độ thô
xii
xii
1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
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.
2
Năm 2013, Bộ giao thông vận tải ban hành Thông tư số 12/2013/TT – BGTVT về việc
“Quy định sử dụng kết cấu mặt đường bê tông xi măng trong đầu tư xây dựng công trình
giao thông”. Thông tư đã hướng dẫn cụ thể về việc lựa chọn kết cấu mặt đường BT cũng
như các quy định pháp lý cho công tác thiết kế và thi công cho loại hình mặt đường này.
Điều này càng khẳng định thêm xu thế sử dụng mặt đường bê tông trong những năm sắp
tới ở Việt Nam. Trong tình hình kinh tế suy thoái như hiện nay, làm đường bê tông là một
giải pháp kích cầu mà Đảng và Nhà nước ta khuyến khích. Điều này không chỉ thúc đẩy
ngành xi măng trong nước phát triển, tạo việc làm cho người lao động mà còn giảm nhập
siêu do hàng năm Việt Nam phải nhập khẩu hàng trăm tấn nhựa đường, góp phần hiện
thực hóa các giải pháp kích cầu của Chính phủ trong giai đoạn hiện nay.
Vì vậy, từ thực tế này cho thấy việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ BTĐL vào
trong xây dựng giao thông là thực sự cần thiết, góp phần giảm giá thành đầu tư công trình
mà vẫn đảm bảo tốt chất lượng, mang lại ý nghĩa thiết thực giúp cho công tác xây dựng ở
nước ta làm chủ được một loại hình công nghệ tiên tiến, đồng thời phát huy các nguồn
lực sẵn có trong nước.
2. Mục đích nghiên cứu
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
1.1.1. Quá trình hình thành cường độ
Quá trình hình thành cường độ của BTĐL cũng tương tự như BTT, cơ bản dựa
trên quá trình hình thành cường độ của đá xi măng. Trước khi tạo hỗn hợp bê tông và bắt
đầu đông kết, hồ xi măng tạo thành sau khi nhào trộn xi măng với nước thành loại huyền
phù đặc có cấu trúc ngưng tụ. Trong đó những hạt rắn hút nhau bằng lực Vanđecvan và
liên kết với nhau bằng lớp vỏ hydrat. Cấu trúc này sẽ bị phá hủy khi có lực cơ học tác
dụng (nhào, trộn, rung và đầm) nó trở thành chất lỏng nhớt, dễ tạo hình. Việc chuyển hồ
sang trạng thái chảy mang đặc trưng xúc biến, khi loại bỏ tác dụng của lực cơ học thì liên
kết cấu trúc trong hệ lại được phục hồi. Tính chất cơ học của hồ xi măng tăng theo mức
độ thủy hóa của xi măng. Theo thuyết Baikov – Rebinder, sự hình thành cấu trúc của hồ
xi măng và cường độ của nó diễn ra theo các giai đoạn như sau:
- Giai đoạn hòa tan: khi nhào trộn xi măng với nước, các thành phần khoáng
clanhke sẽ tác dụng với nước ngay trên bề mặt của hạt xi măng. Những sản phẩm mới tan
được như Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O sẽ hòa tan vào trong nước. Tuy nhiên độ tan của
chúng không lớn do lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên bão hòa.
Những phân tố cấu trúc đầu tiên được hình thành sau khi nhào trộn xi măng với nước là
etringit, hydroxit canxi và các sợi gen Ca(OH)2 xuất hiện vài giờ sau đó. Những lớp gen
mỏng tạo thành xen giữa các tinh thể Ca(OH)2 làm đặc chắc thêm hồ xi măng.
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 hỗn hợp BTĐL có sự phân bố đồng đều không bị phân tầng hay vón cục. Trong giai
đoạn thi công, với lu rung bánh thép gây ra một áp lực lớn lên hỗn hợp, làm cho các
thành phần được xắp xếp chặt chẽ, kết cấu của BTĐL càng đặc chắc hơn. Với hàm lượng
nước ít chỉ đủ cho quá trình thủy hóa của xi măng, nên hạn chế phần nào lượng nước dư
thừa bay hơi gây ra lỗ rỗng là nguyên nhân làm giảm cường độ của bê tông.
So với BTT thì cường độ của BTĐL được hình thành sớm hơn, mặc dù sự phát
triển cường độ của nó vẫn biến đổi liên tục theo thời gian. Đến một giai đoạn sự phát
5
triển đó được ổn định, tuy nhiên quá trình hình thành cường độ của nó là một quá trình
phức tạp, mà ở đó sự biến đổi cơ – lý - hóa xen kẽ nhau và tác dụng tương hỗ bổ sung
nhau.
1.1.2. Đặc điểm của BTĐL
1.1.2.1.Thành phần vật liệu
Bê tông đầm lăn sử dụng trong xây dựng đường và đập về cơ bản có thành phần
45
10 25
30 60
Đường kính của cốt liệu lớn (mm)
Cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi
(MPa)
Độ công tác (sec.)
Ngoài ra, cốt liệu dùng cho BTĐL cần phải thỏa mãn tiêu chuẩn về thành phần hạt
không chỉ cho từng loại cốt liệu mà tất cả hỗn hợp các thành phần. Do cốt liệu chiếm từ
75% ÷ 85% tổng thể tích của BTĐL nên việc lựa chọn thích hợp loại cốt liệu, thành phần
hạt sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của bê tông.
Mục đích của việc thiết kế cấp phối hợp lý là nhằm đạt được một hỗn hợp chặt với
độ ổn định cao, độ rỗng nhỏ giữa các thành phần cốt liệu, đảm bảo được chèn lấp bằng
một lượng chất kết dính thích hợp, để hỗn hợp vật liệu có được những tính chất cần thiết
cho xây dựng. Hiện nay có rất nhiều PPTK tối ưu thành phần hạt như Fuller – Thomson,
biểu đồ lượng sót riêng biệt (Percent Retained Chart), đồ thị chỉ số độ thô (Coarseness
Factor Chart), đồ thị 0.45 Power, ASTM C33, ACI 211 và phương pháp số. Nội dung
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:
7
- Có đủ lượng vữa cần thiết để bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu và lấp đầy lỗ
rỗng giữa chúng.
- Có thể chế tạo được BTĐL với cường độ và mô đun đàn hồi theo yêu cầu.
- Khả năng thi công dễ dàng để đạt được độ chặt như yêu cầu và có tuổi thọ công
trình cao.
Theo quan điểm thiết kế bê tông:
- Thành phần BTĐL được lựa chọn dựa trên quan hệ giữa cường độ nén và một số
tính chất khác với tỷ lệ N/CKD được Abrams thiết lập vào năm 1918. Quan điểm của bê
tông cho rằng lượng hồ xi măng cần vừa đủ để lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu
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:
R90 ARckd (
CKD
B)
N
(1.1)
trong đó:
R90 là cường độ BTĐL ở tuổi 90 ngày, MPa;
Rckd là cường độ của CKD ở tuổi 28 ngày, MPa;
N, CKD lần lượt là lượng dùng nước, chất kết dính bao gồm xi măng và phụ gia
khoáng, kg/m3;
A, B là hệ số phương trình hồi qui được xác định bằng thí nghiệm.
Sau khi tính toán, đúc mẫu thử trong phòng thí nghiệm, điều chỉnh các thông số để
BTĐL có được những tính chất kỹ thuật yêu cầu và đạt hiệu quả kinh tế cao nhất.
Nhận xét:
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:
d = w / (1+ 0,01w)
(1.2)
trong đó:
d là khối lượng thể tích khô, kg/m3;
W là khối lượng thể tích ướt, kg/m3;
w là độ ẩm, %.
- Có hai cách thức làm là thí nghiệm với Proctor tiêu chuẩn theo ASTM D698 và
Proctor cải tiến theo ASTM D1557. Hai phương pháp này khác nhau ở trọng lượng quả
đầm, chiều rơi tức là công đầm thay đổi. Kinh nghiệm chỉ ra rằng, thí nghiệm Proctor cải
tiến phù hợp với BTĐL do cốt liệu tự nhiên và khả năng để có độ chặt cao như ngoài hiện
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
BTĐL ngoài hiện trường. Trong lý thuyết đầm nén đất đá, nước ở trong vật liệu hỗn hợp
dạng hạt sẽ có tác dụng bôi trơn và dưới tác dụng của lực đầm, thì đất đá sẽ đạt được
dung trọng khô cao. Tuy nhiên, từ quan điểm lý luận bê tông để xét, nước nhiều hay ít
ảnh hưởng của nó là rất lớn, lượng nước cần thiết cho vào để đạt đến tỷ trọng khô cao có
thể sẽ vượt quá lượng dùng nước cần thiết để đầm chặt bê tông, như thế đối với tính năng
cứng hóa của BTĐL thì khả năng không đảm bảo. Cho nên, tỷ trọng khô, lượng nước tối
ưu và công đầm cần có sự lựa chọn hợp lý mới có thể đảm bảo đầm chặt, đồng thời làm
cho tính năng cứng hóa của BTĐL thỏa mãn các yêu cầu.
Mặc dù các phương pháp trên đều có những tính ưu điểm của mình, nhưng dù lựa
chọn theo cách thức nào thì hỗn hợp BTĐL cũng phải đảm bảo về cường độ yêu cầu và
tính công tác của nó. Vì vậy, chìa khóa để thiết kế, thi công và áp dụng hiệu quả khi dùng
BTĐL là phải có quá trình ứng dụng thử nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường để có
đánh giá, điều chỉnh cụ thể cho phù hợp với điều kiện kinh tế - kỹ thuật, môi trường và
tiêu chuẩn thiết kế ở Việt Nam.
1.1.2.3. Công nghệ thi công
- Hệ thống trộn: thiết bị trộn bê tông nên dùng loại hoạt động theo nguyên lý trộn
cưỡng bức. Công suất của thiết bị trộn phải đáp ứng được năng suất của thiết bị rải
(thường 60m3/h trở lên). Khoảng cách từ nơi trộn tới hiện trường không quá 30 phút xe
chạy.
- Vận chuyển hỗn hợp bê tông: do hỗn hợp BTĐL khô, không bị phân tầng khi vận
chuyển, nên thường dùng xe tải tự đổ để vận chuyển. Thông thường sử dụng các xe có tải