Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu đánh giá và sử dụng đá Dolomite trong xây dựng đường ô tô trên địa bàn tỉnh Ninh Bình" do nghiên cứu sinh Bùi Tiến Thành thực hiện tại Trường Đại học Giao thông vận tải (ngành Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, mã số 9 58 02 05), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Phạm Huy Khang và TS. Nguyễn Trọng Hiệp.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Quá trình đầu tư phát triển hệ thống kết cấu hạ tầng giao thông đường bộ tạo ra nhu cầu tiêu thụ vật liệu xây dựng rất lớn. Tuy nhiên, các nguồn vật liệu truyền thống, đặc biệt là đá vôi, ngày càng khan hiếm. Tại tỉnh Ninh Bình, sau khi quần thể danh thắng Tràng An (gồm di tích cố đô Hoa Lư, khu danh thắng Tràng An - Tam Cốc - Bích Động và rừng nguyên sinh đặc dụng Hoa Lư) được UNESCO công nhận là di sản văn hóa và thiên nhiên thế giới vào ngày 23 tháng 6 năm 2014, yêu cầu bảo tồn nguyên trạng hệ thống núi đá vôi được đặt ra nghiêm ngặt, dẫn đến sự suy giảm nguồn cung đá vôi làm vật liệu xây dựng.

Đá Dolomite là đá trầm tích carbonat có trữ lượng lớn trên địa bàn tỉnh Ninh Bình, phân bố ở các khu vực nằm ngoài phạm vi bảo tồn và thuộc diện được quy hoạch khai thác. Trong thực tế, đá Dolomite tại Ninh Bình đã bước đầu được sử dụng để đắp nền đường đạt độ chặt K95 và K98 tại một số dự án giao thông trọng điểm. Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là: chưa có nghiên cứu hệ thống, toàn diện và có cơ sở thực nghiệm đầy đủ về việc sử dụng đá Dolomite làm các lớp kết cấu chịu lực cao hơn trong áo đường ô tô, cụ thể là lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng (CTB) và lớp mặt đường bê tông xi măng (BTXM), nhằm thay thế đá vôi truyền thống và nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên khoáng sản này.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu, đánh giá sự phù hợp của đá Dolomite trong xây dựng đường ô tô trên địa bàn tỉnh Ninh Bình.
  2. Xác định các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của đá Dolomite thông qua tổng hợp tài liệu đã công bố và thực hiện thí nghiệm trong phòng.
  3. Thiết kế thành phần và thí nghiệm trong phòng xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp cấp phối đá Dolomite gia cố xi măng làm móng đường và hỗn hợp bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá Dolomite làm mặt đường ô tô.
  4. Tính toán, kiểm toán kết cấu móng và mặt đường để khẳng định tính khả thi của việc sử dụng đá Dolomite làm vật liệu xây dựng đường ô tô.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Đá Dolomite (bao gồm đá nguyên khối, đá phong hóa vỡ vụn, đá dăm và cát nghiền từ đá Dolomite) sử dụng làm móng và mặt đường ô tô.
  • Phạm vi không gian: Tập trung vào nguồn đá Dolomite tại các mỏ thuộc địa bàn tỉnh Ninh Bình (khu vực Đông Sơn - thành phố Tam Điệp; các khu Phú Long - Kỳ Phú, Thạch Bình, Phú Sơn - huyện Nho Quan) và mạng lưới đường giao thông trên địa bàn tỉnh Ninh Bình.
  • Phạm vi nội dung: Nghiên cứu thành phần thạch học, hóa học, tính chất cơ lý; nghiên cứu thực nghiệm hỗn hợp cấp phối đá dăm gia cố xi măng (CTB); nghiên cứu thực nghiệm hỗn hợp bê tông xi măng (BTXM) sử dụng cốt liệu Dolomite (cốt liệu thô và mịn); tính toán kiểm toán kết cấu mặt đường BTXM theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được luận án tổng kết

  1. Nghiên cứu quốc tế về vật liệu Dolomite và bê tông:

    • Nghiên cứu về bê tông tự lèn khởi nguồn từ Okamura tại Đại học Tokyo (Nhật Bản) vào cuối thập niên 80 thế kỷ XX với việc phát triển phụ gia hóa dẻo hiệu quả cao.
    • Các nghiên cứu tại Viện Khoa học Xây dựng CHLB Đức (2000 - 2001) thiết lập tiền đề sản xuất và triển khai bê tông tự lèn tại châu Âu.
    • Nghiên cứu của Trường Đại học Công nghệ hóa Mendeleev (Nga) về hỗn hợp bê tông tự lèn sử dụng bột đá vôi Dolomite (tiêu chuẩn GOST 14050), xi măng poóc lăng 500 nhà máy Malsev (GOST 10178), đá dăm 5-20 mm (GOST 8267), cát thạch anh cỡ hạt 2,3 micron (GOST 8736) và phụ gia siêu dẻo Sika Viscocrete, khẳng định tiêu hao bột đá Dolomite không vượt quá 200 kg/m³ để tránh tăng nhu cầu nước.

  2. Nghiên cứu trong nước về địa chất, trữ lượng và sử dụng đá Dolomite:

    • Nghiên cứu của TS. Mai Trọng Tú (2005) tổng hợp trữ lượng và thành phần hóa học các mỏ đá Dolomite Việt Nam: cả nước có 40 điểm khoáng sản và 11 mỏ với tổng trữ lượng cấp B+C1+C2 đạt 136,74 triệu tấn; phân bố tại Hà Nam (Bút Sơn), Hòa Bình (Bản Chanh), Ninh Bình (Thạch Bình, Quèn Gà, Tam Điệp...), Phú Thọ (Ngọc Lập), Thái Nguyên (Làng Lai), Thanh Hóa (Mật Sơn), Quảng Bình (Tân Ấp), Quảng Nam (Trà Mai, Tắc Pỏ)...
    • Nghiên cứu của PGS.TS. Vũ Đình Đấu (Trường Đại học Xây dựng) về việc sử dụng đá Dolomite phong hóa Hà Nam chế tạo vữa và bê tông.
    • Các nghiên cứu địa chất của PGS.TS. Lương Quang Khang (2005, 2006) phân tích 50 mẫu lát mỏng thạch học, phân tích hóa học và cơ lý của đá Dolomite Ninh Bình, phân vùng triển vọng khai thác tại các khu Đông Sơn, Phú Long - Kỳ Phú, Thạch Bình và Phú Sơn.
    • Nghiên cứu của Trần Ngọc Thái và cộng sự (2007) đánh giá tài nguyên đá Dolomite cấp 334a tại khu Phú Long - Kỳ Phú.
    • Các văn bản quy hoạch: Quyết định số 2908/QĐ-UBND ngày 26/12/2007 của UBND tỉnh Ninh Bình phê duyệt quy hoạch khoanh vùng khoáng sản; Quy hoạch thăm dò, khai thác khoáng sản làm VLXD của Thủ tướng Chính phủ và Quy hoạch phát triển ngành thép Việt Nam giai đoạn 2007 - 2015, định hướng đến 2025.

  3. Tình hình ứng dụng thực tế tại Ninh Bình: Đá Dolomite đã được đưa vào sử dụng làm vật liệu đắp nền K95, K98 tại một số dự án giao thông:

    • Dự án cải tạo tuyến đường cứu hộ, cứu nạn, phát triển kinh tế Bình Sơn - Lai Thành (20,5 km cấp III và 12,2 km cấp IV; khởi công 2009, hoàn thành 2015).
    • Dự án nâng cấp, mở rộng Quốc lộ 1A đoạn cầu Đoan Vĩ - Dốc Xây (15,6 km; 2011 - 2015).
    • Tuyến đường kết nối cao tốc Cầu Giẽ - Ninh Bình với Quốc lộ 1 (Giai đoạn I: 6,3 km, hoàn thành 2016; Giai đoạn II: 10,9 km).
    • Dự án mở rộng Quốc lộ 1 đoạn tránh thành phố Ninh Bình (17 km).
    • Dự án nâng cấp, cải tạo Quốc lộ 10 đoạn Ninh Phúc - cầu Điền Hộ (khoảng 30 km, hoàn thành 2016).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù đã được ứng dụng làm vật liệu đắp nền đường, việc sử dụng đá Dolomite làm móng cấp phối gia cố xi măng (CTB) và mặt đường bê tông xi măng (BTXM) chưa được nghiên cứu bài bản về tỷ lệ thành phần cấp phối, đặc tính cơ học biến dạng, hệ số giãn nở nhiệt, độ mài mòn và quy trình kiểm toán kết cấu áo đường chịu tải trọng xe chạy và biến thiên nhiệt độ. Luận án giải quyết toàn diện các nội dung này nhằm cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật phục vụ ứng dụng đá Dolomite trên diện rộng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Lý thuyết khoáng vật và thạch học đá trầm tích carbonat: Đá Dolomite có thành phần khoáng vật chính là Dolomite $\text{CaMg(CO}_3)_2$ (lý thuyết gồm 30,4% $\text{CaO}$, 21,9% $\text{MgO}$, 47,7% $\text{CO}_2$) và Canxit $\text{CaCO}_3$. Tỷ trọng khoáng vật Dolomite đạt 2,8 - 2,99 g/cm³, cao hơn Canxit (2,71 - 2,72 g/cm³); độ hòa tan trong nước thấp hơn so với Canxit và Halit.
  • Lý thuyết móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng (CTB): Sự hình thành cấu trúc liên kết thủy hóa xi măng trong khung cốt liệu hạt Dolomite giúp tăng mô đun đàn hồi, giảm độ võng kết cấu mặt đường, giảm ứng suất truyền xuống nền đất, hạn chế lún vệt bánh xe và ngăn ngừa sự phá hoại do ẩm.
  • Lý thuyết tấm bê tông xi măng trên nền đàn hồi: Mô hình tính toán sự làm việc của tấm mặt đường BTXM có khe nối chịu tác dụng đồng thời của ứng suất kéo uốn do tải trọng trục xe chạy (tính toán mỏi dưới tác dụng của trục tiêu chuẩn và kiểm toán trục đơn nặng nhất $P_m$) và ứng suất kéo uốn do gradien nhiệt độ lớn nhất $T_g$ giữa bề mặt và đáy tấm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp khảo sát và phân tích trong phòng:
    • Phân tích thạch học qua 50 mẫu lát mỏng dưới kính hiển vi quang học (1 nicol và 2 nicol).
    • Phân tích hóa học cơ bản và hóa học toàn diện trên 347 mẫu xác định $\text{CaO, MgO, MKN, HO}$ và các tạp chất có hại ($\text{SiO}_2, \text{Fe}_2\text{O}_3, \text{Al}_2\text{O}_3, \text{TiO}_2, \text{P}_2\text{O}_5, \text{SO}_3, \text{Mn}_3\text{O}_4$).
    • Thí nghiệm cơ lý đá gốc trên 15 mẫu (thể trọng, nén khô, kéo khô, lực dính, độ khe hở).
  • Phương pháp thực nghiệm chế bị mẫu:
    • Hỗn hợp móng CTB: Thiết kế thành phần hạt theo TCVN 8858 và TCCS 38; đúc mẫu thí nghiệm xác định cường độ chịu nén ($R_n$), cường độ chịu kéo khi ép chẻ ($R_{ec}$), mô đun đàn hồi ($E$) tại các hàm lượng xi măng và ngày tuổi khác nhau.
    • Hỗn hợp mặt đường BTXM: Sử dụng đá dăm Dolomite kết hợp 3 loại cốt liệu mịn (cát tự nhiên, cát nghiền từ đá Dolomite theo TCVN 9205:2012, cát hỗn hợp 50% cát nghiền + 50% cát tự nhiên) và xi măng VICEM PCB40.
    • Quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp Taguchi, đánh giá tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N$) để tối ưu hóa cấp phối.
    • Thí nghiệm mở rộng xác định hệ số giãn nở nhiệt ($CTE$) và độ mài mòn của BTXM cốt liệu Dolomite.
  • Phương pháp xử lý số liệu và phân tích thống kê: Phân tích phương sai (ANOVA), phân tích hậu định, biểu đồ Pareto và biểu đồ tương tác trên phần mềm Minitab.
  • Phương pháp tính toán cơ học kết cấu: Kiểm toán ứng suất kéo uốn tổng hợp tại vị trí mép dọc tấm BTXM theo tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Dữ liệu địa chất mỏ và kết quả phân tích mẫu từ mỏ đá Dolomite Đông Sơn (thành phố Tam Điệp), mỏ Thạch Bình, Phú Sơn, Phú Long - Kỳ Phú (huyện Nho Quan).
  • Dữ liệu quy hoạch khoáng sản và hồ sơ hoàn công các dự án giao thông đã thi công trên địa bàn tỉnh Ninh Bình.
  • Số liệu thí nghiệm cơ lý thực hiện tại phòng thí nghiệm chuyên ngành công trình thuộc Bộ môn Đường bộ, Trường Đại học Giao thông vận tải.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về đá Dolomite và tình hình sử dụng trên địa bàn tỉnh Ninh Bình

Chương này trình bày chi tiết về nguồn gốc địa chất, đặc tính thạch học, hóa học, cơ lý, trữ lượng quy hoạch và thực trạng sử dụng đá Dolomite tại tỉnh Ninh Bình.

  1. Thành phần thạch học và khoáng vật:

    • Đá Dolomite nguyên khối: Màu xám xanh hoặc xanh đen, cấu tạo khối đến phân lớp dày, bề mặt sần sùi dạng da voi. Khoáng vật Dolomite chiếm từ 80% đến 88% (trung bình 84%), kích thước hạt nhỏ hơn 0,05 mm. Canxit chiếm từ 1% đến dưới 10%, kích thước thường dưới 0,05 - 0,01 mm. Khoáng vật phi carbonat gồm clorit và geothit; hầu như không chứa khoáng vật vụn cơ học như thạch anh, plagioclas.
    • Đá Dolomite vụn: Hình thành do phong hóa cơ học tại các địa hình thoải (như đồi Con Lợn - Đông Sơn, chiều dày đới dăm sạn từ 0,5 đến 12 m, kích thước mảnh vụn 0,2 đến 3,4 cm).

  2. Thành phần hóa học của đá Dolomite Ninh Bình: Kết quả phân tích thống kê trên 347 mẫu cơ bản và 40 mẫu phân tích toàn phần được tổng hợp trong các bảng số liệu sau:

Thành phần hóa học Hàm lượng trung bình (%) Giá trị nhỏ nhất Min (%) Giá trị lớn nhất Max (%) Phương sai Hệ số biến thiên $V$ (%) Đánh giá mức độ đồng đều
$\text{CaO}$ 30,83 28,56 38,50 2,14 4,74 Rất đồng đều
$\text{MgO}$ 20,23 13,03 21,80 1,70 6,45 Rất đồng đều
$\text{MKN}$ (Mất khi nung) 46,60 45,21 46,85 0,07 0,56 Rất đồng đều
$\text{HO}$ (Hàm lượng ẩm/khác) 0,39 0,03 2,83 0,16 101,80 Không đồng đều
Tạp chất có hại Hàm lượng trung bình (%) Giá trị Min (%) Giá trị Max (%) Phương sai Hệ số biến thiên $V$ (%)
$\text{SiO}_2$ 0,15 0 0,48 0,025 107,20
$\text{Fe}_2\text{O}_3$ 0,02 0,01 0,048 0,014 59,83
$\text{Al}_2\text{O}_3$ 0,19 0,10 0,30 0,003 26,94
$\text{TiO}_2$ 0 0 0 0 0
$\text{P}_2\text{O}_5$ 0,05 0,03 0,20 0,001 66,48
$\text{SO}_3$ 0,01 0 0,05 0,00014 119,91
$\text{Mn}_3\text{O}_4$ 0,011 0 0,022 0,0002 128,60
  1. Chỉ tiêu cơ lý đá gốc Dolomite Ninh Bình (15 mẫu):
Chỉ tiêu cơ lý Đơn vị tính Giá trị nhỏ nhất Giá trị lớn nhất Giá trị trung bình
Thể trọng tự nhiên $\text{g/cm}^3$ 2,67 2,74 2,69
Cường độ kháng nén khô $\text{kG/cm}^2$ 680,0 1352,8 862,8
Cường độ kháng kéo khô $\text{kG/cm}^2$ 48,3 130,0 78,4
Lực dính kết $\text{kG/cm}^2$ 50,0 135,0 80,0
Độ khe hở % 1,4 3,9 2,6
  1. Phân vùng triển vọng và quy hoạch tài nguyên:
    • Vùng rất có triển vọng: Khu Đông Sơn (TP. Tam Điệp, diện tích 2,5 km², tổng tài nguyên trữ lượng cấp $C_2 + P_1$ là 403.990 nghìn tấn, trong đó $C_2$ đạt 163.238 nghìn tấn) và khu Phú Long - Kỳ Phú (huyện Nho Quan, diện tích 15 km², trữ lượng cấp 334a là 1,0 triệu tấn).
    • Vùng có triển vọng: Khu Phú Sơn (diện tích 1,5 km², cấp $C_2 + P_1$ là 251.597 nghìn tấn) và khu Thạch Bình (diện tích 1,5 km², cấp $P_1$ là 156.000 nghìn tấn).
    • Vùng không có triển vọng: Phân bố trầm tích thuộc các hệ tầng Suối Bàng, Nậm Thẳm, Tân Lạc và Đệ Tứ.
    • Quy hoạch cấp phép khai thác (Quyết định 2908/QĐ-UBND): Năm 2010 quy hoạch mỏ Thạch Bình (4.000 tấn) và Phú Long (1.000 tấn); Năm 2020 quy hoạch mỏ Phú Sơn (251.000 tấn, diện tích 167,11 ha) và mỏ Tam Điệp (20.000 tấn, diện tích 123,7 ha).

Chương 2. Nghiên cứu sử dụng đá Dolomite gia cố xi măng làm móng đường ô tô

Chương này tập trung vào quy trình thực nghiệm và đánh giá hỗn hợp cấp phối đá dăm (CPĐD) Dolomite gia cố xi măng (CTB) sử dụng đá khai thác từ mỏ Đông Sơn - Tam Điệp:

  • Thiết kế thành phần cấp phối: Lựa chọn đường cong thành phần hạt của hỗn hợp đá dăm Dolomite đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 8858 và TCCS 38; sử dụng xi măng poóc lăng hỗn hợp (PCB) với các tỷ lệ gia cố xi măng nghiên cứu khác nhau.
  • Quy hoạch mẫu và thử nghiệm cơ lý: Đúc và bảo dưỡng các tổ mẫu hình trụ để xác định:
    • Cường độ chịu nén ($R_n$, đơn vị MPa).
    • Cường độ chịu kéo khi ép chẻ ($R_{ec}$, đơn vị MPa).
    • Mô đun đàn hồi tĩnh ($E$, đơn vị MPa).
    • Thí nghiệm xác định cường độ nén đá gốc Dolomite Đông Sơn - Tam Điệp.
  • Phân tích thống kê kết quả thực nghiệm:
    • Áp dụng phân tích phương sai (ANOVA) và phân tích hậu định để đánh giá ảnh hưởng của 2 nhân tố chính: hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng (ngày tuổi: 7 ngày, 14 ngày, 28 ngày...).
    • Xây dựng biểu đồ Pareto xác định mức độ tác động vượt trội của hàm lượng xi măng và ngày tuổi đến sự hình thành cường độ $R_n, R_{ec}$ và mô đun $E$.
    • Phân tích biểu đồ tương tác giữa ngày tuổi và hàm lượng xi măng đối với các chỉ tiêu cường độ.
    • So sánh đối chiếu các kết quả thí nghiệm với yêu cầu kỹ thuật của lớp móng gia cố xi măng theo TCVN 8858 và TCCS 38, khẳng định hỗn hợp cấp phối đá Dolomite gia cố xi măng đáp ứng các tiêu chuẩn làm lớp móng trên và móng dưới kết cấu áo đường ô tô.

Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng về vật liệu bê tông xi măng sử dụng cốt liệu Dolomite làm mặt đường ô tô

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp bê tông xi măng (BTXM) sử dụng cốt liệu Dolomite:

  • Vật liệu sử dụng:
    • Cốt liệu thô: Đá dăm Dolomite mỏ Đông Sơn, thành phần hạt cỡ lớn nhất $D_{max} = 20 - 25\text{ mm}$, đáp ứng các chỉ tiêu cơ lý quy định cho BTXM mặt đường.
    • Cốt liệu mịn: Nghiên cứu 3 phương án: (1) Cát vàng tự nhiên; (2) Cát nghiền nhân tạo từ đá Dolomite (đạt yêu cầu theo TCVN 9205:2012); (3) Cát hỗn hợp gồm 50% cát nghiền Dolomite và 50% cát vàng tự nhiên.
    • Chất kết dính: Xi măng poóc lăng hỗn hợp VICEM PCB40; nước thí nghiệm đạt tiêu chuẩn.
  • Quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp Taguchi:
    • Bố trí ma trận trực giao Taguchi với các nhân tố ảnh hưởng (tỷ lệ N/X, tỷ lệ cốt liệu mịn/cốt liệu thô, loại cát, hàm lượng xi măng).
    • Phân tích tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N$) trên phần mềm Minitab để tìm ra tổ hợp tối ưu cho từng chỉ tiêu cơ lý.
  • Kết quả thử nghiệm cơ lý:
    • Xác định cường độ chịu nén ($R_n$, MPa) tại các ngày tuổi.
    • Xác định cường độ chịu kéo khi uốn ($R_{ku}$, MPa) - chỉ tiêu chịu lực cốt lõi của tấm bê tông mặt đường.
    • Xác định mô đun đàn hồi ($E$, GPa).
  • Thí nghiệm mở rộng:
    • Thí nghiệm xác định hệ số giãn nở nhiệt ($CTE$ - Coefficient of Thermal Expansion) của BTXM cốt liệu Dolomite và so sánh với giá trị trong các quy trình tính toán thiết kế.
    • Thí nghiệm xác định độ mài mòn của BTXM cốt liệu Dolomite phục vụ đánh giá chất lượng bề mặt khi chịu ma sát lăn và trượt của bánh xe.

Chương 4. Tính toán kết cấu mặt đường BTXM sử dụng cốt liệu Dolomite

Chương 4 vận dụng các thông số thực nghiệm từ Chương 2 và Chương 3 để tính toán, kiểm toán kết cấu áo đường BTXM theo mô hình trạng thái giới hạn:

  • Mô hình và tiêu chuẩn tính toán:
    • Áp dụng mô hình tấm BTXM thông thường có khe nối đặt trên nền đàn hồi.
    • Vị trí tính toán phá hoại nguy hiểm nhất: giữa cạnh dọc tấm BTXM.
    • Xác định cường độ kéo uốn thiết kế yêu cầu của tấm BTXM có kể đến hệ số độ tin cậy $\gamma_r$.
  • Xác định các thông số tải trọng và tác động môi trường:
    • Tải trọng trục tiêu chuẩn (tính toán tích lũy mỏi do dòng xe chạy trong thời hạn thiết kế).
    • Tải trọng trục đơn nặng nhất thiết kế ($P_m$).
    • Trị số gradien nhiệt độ lớn nhất ($T_g$) giữa mặt trên và mặt dưới tấm BTXM; hệ số giãn nở nhiệt của bê tông ($\alpha_c$ / $CTE$).
  • Tính toán ứng suất kéo uốn:
    • Tính toán ứng suất kéo uốn do tải trọng xe chạy ($\sigma_p$) và ứng suất kéo uốn do gradien nhiệt độ ($\sigma_t$).
    • Phân tích hai phương án tầng móng: (1) Móng bằng vật liệu dạng hạt không gia cố; (2) Móng bằng vật liệu hạt gia cố xi măng (CTB từ đá Dolomite).
  • Kiểm toán trên tuyến đường cụ thể:
    • Thiết lập các phương án kết cấu áo đường với các thông số vật liệu BTXM cốt liệu Dolomite (cát tự nhiên, cát nghiền Dolomite, cát hỗn hợp).
    • Thực hiện kiểm toán khả năng chịu lực trên tuyến đường ĐT.477 và một số tuyến đường giao thông tỉnh Ninh Bình theo các cấp quy mô giao thông khác nhau, xác định chiều dày hợp lý của tấm BTXM.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Làm rõ bản chất thạch học và hóa học: Luận án cung cấp hệ thống số liệu phân tích định lượng toàn diện (347 mẫu hóa học cơ bản, 40 mẫu phân tích toàn phần, 50 mẫu lát mỏng) về đá Dolomite hệ tầng Đồng Giao tại tỉnh Ninh Bình; xác định hàm lượng khoáng vật Dolomite trung bình 84%, hàm lượng $\text{MgO}$ trung bình 20,23%, $\text{CaO}$ trung bình 30,83% và các tạp chất có hại ($\text{SiO}_2, \text{Fe}_2\text{O}_3, \text{Al}_2\text{O}_3, \text{SO}_3\dots$) ở mức rất thấp, độ biến thiên thành phần đồng đều.
  2. Quy luật cơ lý của hỗn hợp đá Dolomite gia cố xi măng (CTB): Xác lập định lượng mối quan hệ giữa hàm lượng xi măng và ngày tuổi bảo dưỡng tới sự hình thành cường độ nén ($R_n$), cường độ kéo khi ép chẻ ($R_{ec}$) và mô đun đàn hồi ($E$) thông qua phân tích phương sai ANOVA và biểu đồ tương tác Minitab.
  3. Đặc tính cơ lý và biến dạng của BTXM cốt liệu Dolomite: Làm sáng tỏ các đặc tính kéo uốn ($R_{ku}$), mô đun đàn hồi ($E$), hệ số giãn nở nhiệt ($CTE$) và độ mài mòn của BTXM khi sử dụng cả cốt liệu thô (đá dăm Dolomite) và cốt liệu mịn (cát nghiền Dolomite, cát hỗn hợp) dựa trên phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Mở rộng phạm vi ứng dụng vật liệu địa phương: Đưa ra giải pháp khoa học và công nghệ cho phép sử dụng đá Dolomite làm móng gia cố xi măng và mặt đường bê tông xi măng, thay đổi tập quán trước đây chỉ dùng đá Dolomite để đắp nền đường K95, K98.
  2. Giải quyết bài toán bảo tồn di sản và khan hiếm vật liệu: Cung cấp nguồn vật liệu thay thế đá vôi truyền thống tại Ninh Bình, góp phần bảo vệ cảnh quan tự nhiên khu di sản thế giới Quần thể danh thắng Tràng An.
  3. Đề xuất giải pháp kết cấu áo đường hoàn chỉnh: Xác lập bộ thông số đầu vào và phương án thiết kế kết cấu áo đường BTXM sử dụng móng CTB Dolomite và mặt đường BTXM cốt liệu Dolomite, được kiểm chứng qua việc kiểm toán trên các tuyến đường giao thông cụ thể tại tỉnh Ninh Bình (như tuyến ĐT.477).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các kết quả về chỉ tiêu cơ lý, độ mài mòn, hệ số giãn nhiệt và cấp phối bê tông trong luận án chủ yếu được xác lập thông qua hệ thống thí nghiệm trong phòng; việc kiểm toán kết cấu thực hiện theo các mô hình lý thuyết tiêu chuẩn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Xây dựng các đoạn đường thử nghiệm thực tế ngoài hiện trường sử dụng móng CTB và mặt đường BTXM cốt liệu Dolomite trên địa bàn tỉnh Ninh Bình để theo dõi, quan trắc sự biến đổi cường độ, độ võng, độ nhám và tình trạng nứt gãy dưới tác động của tải trọng giao thông thực tế và biến đổi khí hậu theo thời gian.
    2. Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ nghiền sàng cát từ đá Dolomite nhằm kiểm soát hàm lượng hạt mịn và hình dạng hạt tối ưu cho hỗn hợp bê tông.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu về đặc tính vật liệu trầm tích carbonat Dolomite, phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi và ứng dụng công cụ thống kê ANOVA/Minitab trong nghiên cứu vật liệu xây dựng công trình giao thông.
  • Đối với các cơ quan quản lý nhà nước (Sở GTVT Ninh Bình, UBND tỉnh Ninh Bình): Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng cơ chế quản lý, quy hoạch khai thác khoáng sản hợp lý và ban hành định mức, đơn giá, tiêu chuẩn cơ sở cho việc áp dụng đá Dolomite trong các dự án đầu tư hạ tầng giao thông trên địa bàn tỉnh.
  • Đối với các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu xây dựng: Cung cấp hướng dẫn kỹ thuật cụ thể về tỷ lệ cấp phối, yêu cầu kỹ thuật vật liệu đối với móng CTB và mặt đường BTXM sử dụng cốt liệu đá dăm và cát nghiền Dolomite.

Câu hỏi thường gặp

1. Thành phần khoáng vật và hóa học của đá Dolomite Ninh Bình có đặc điểm gì nổi bật?

Đá Dolomite Ninh Bình (chủ yếu thuộc tập dưới hệ tầng Đồng Giao) có thành phần khoáng vật Dolomite chiếm từ 80% đến 88% (trung bình 84%), Canxit chiếm 1% đến dưới 10%. Thành phần hóa học qua phân tích 347 mẫu cơ bản có hàm lượng $\text{CaO}$ trung bình 30,83% (biến thiên 28,56 - 38,50%), hàm lượng $\text{MgO}$ trung bình 20,23% (biến thiên 13,03 - 21,80%), mất khi nung ($\text{MKN}$) trung bình 46,60%. Hàm lượng các tạp chất có hại rất thấp ($\text{SiO}_2$: 0,15%, $\text{Fe}_2\text{O}_3$: 0,02%, $\text{Al}_2\text{O}_3$: 0,19%, $\text{SO}_3$: 0,01%).

2. Vì sao cần nghiên cứu chuyển đổi mục đích sử dụng đá Dolomite tại Ninh Bình sang làm móng và mặt đường?

Trước đây đá Dolomite tại Ninh Bình chủ yếu chỉ được dùng để đắp nền đường (độ chặt K95, K98). Trong khi đó, nguồn đá vôi truyền thống bị hạn chế khai thác nhằm bảo tồn Quần thể danh thắng Tràng An (di sản thế giới từ năm 2014). Với cường độ kháng nén khô trung bình đạt 862,8 $\text{kG/cm}^2$, tỷ trọng 2,69 $\text{g/cm}^3$ và độ bền hóa học cao, việc nghiên cứu sử dụng đá Dolomite làm móng CTB và mặt đường BTXM giúp thay thế nguồn đá vôi khan hiếm và nâng cao giá trị sử dụng của tài nguyên địa phương.

3. Cốt liệu Dolomite được nghiên cứu sử dụng dưới những dạng nào trong hỗn hợp bê tông xi măng?

Luận án nghiên cứu sử dụng đá Dolomite cho cả hai thành phần cốt liệu trong BTXM:

  • Cốt liệu thô: Đá dăm Dolomite mỏ Đông Sơn cỡ hạt $D_{max} = 20 - 25\text{ mm}$.
  • Cốt liệu mịn: Gồm 3 giải pháp so sánh: cát tự nhiên, cát nghiền nhân tạo từ đá Dolomite (theo TCVN 9205:2012) và cát hỗn hợp phối trộn 50% cát nghiền Dolomite với 50% cát vàng tự nhiên.

4. Những công cụ và phương pháp thống kê nào được sử dụng để xử lý dữ liệu thực nghiệm?

Luận án sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi để bố trí ma trận thí nghiệm và phân tích tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N$). Dữ liệu thực nghiệm về cường độ nén ($R_n$), cường độ kéo khi ép chẻ ($R_{ec}$), cường độ kéo khi uốn ($R_{ku}$) và mô đun đàn hồi ($E$) được xử lý thống kê bằng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA), phân tích hậu định, biểu đồ Pareto và biểu đồ tương tác trên phần mềm Minitab.

5. Trữ lượng và các vùng phân bố đá Dolomite chính tại Ninh Bình được xác định như thế nào?

Đá Dolomite Ninh Bình được phân thành 3 vùng triển vọng:

  • Vùng rất có triển vọng: Khu Đông Sơn - Tam Điệp (tài nguyên trữ lượng cấp $C_2 + P_1$ là 403.990 nghìn tấn, riêng cấp $C_2$ là 163.238 nghìn tấn) và khu Phú Long - Kỳ Phú - Nho Quan (diện tích 15 km², trữ lượng cấp 334a là 1,0 triệu tấn).
  • Vùng có triển vọng: Khu Phú Sơn (trữ lượng $C_2 + P_1$ là 251.597 nghìn tấn) và khu Thạch Bình (tài nguyên $P_1$ là 156.000 nghìn tấn).
  • Vùng không có triển vọng: Các khu vực thuộc hệ tầng Suối Bàng, Nậm Thẳm, Tân Lạc và Đệ Tứ.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Bùi Tiến Thành đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu đánh giá đặc tính thạch học, hóa học, cơ lý và khả năng ứng dụng đá Dolomite tỉnh Ninh Bình trong xây dựng đường ô tô. Công trình đã thiết lập các cơ sở thực nghiệm cho hỗn hợp cấp phối đá dăm gia cố xi măng (CTB) và hỗn hợp bê tông xi măng (BTXM) sử dụng cốt liệu thô và mịn từ đá Dolomite kết hợp với phương pháp tối ưu hóa Taguchi và phân tích ANOVA trên Minitab. Kết quả kiểm toán kết cấu áo đường khẳng định tính khả thi kỹ thuật của việc ứng dụng đá Dolomite làm lớp móng và lớp mặt đường ô tô, mang lại giải pháp thay thế vật liệu đá vôi truyền thống và phục vụ công tác bảo tồn di sản Quần thể danh thắng Tràng An tại địa phương.