Luận án tiến sĩ nghiên cứu sử dụng cốt liệu đá quartzite ở thanh sơn phú thọ để chế tạo bê tông xi măng mặt đường

Nghiên cứu ứng dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn Phú Thọ trong chế tạo bê tông xi măng mặt đường, nâng cao chất lượng và hiệu quả xây dựng.

• Tác giả: Ngô Hoài Thanh
• Người hướng dẫn: GS.TS Phạm Duy Hữu
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Xây Dựng Đường Ô Tô Và Đường Thành Phố
• Đề tài: Nghiên Cứu Sử Dụng Cốt Liệu Đá Quartzite Thanh Sơn Phú Thọ Chế Tạo Bê Tông Xi Măng Mặt Đường
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về bê tông xi măng làm đường và sử dụng đá quartzite trong bê tông

Bê tông xi măng là vật liệu chủ yếu trong xây dựng công trình giao thông, đặc biệt là mặt đường. Việc sử dụng cốt liệu đá quartzite từ Thanh Sơn, Phú Thọ mang lại nhiều lợi ích về chất lượng và hiệu quả kinh tế. Đá quartzite có tính chất cơ lý vượt trội, giúp cải thiện cường độ chịu nén và kéo uốn của bê tông. Theo nghiên cứu, bê tông xi măng mặt đường cần có cường độ kéo uốn tối thiểu 5MPa và cường độ chịu nén lớn hơn 50MPa. Việc lựa chọn cốt liệu chất lượng cao như đá quartzite là rất cần thiết để đạt được các yêu cầu này. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc sử dụng cốt liệu địa phương không chỉ giảm chi phí vận chuyển mà còn tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có, góp phần vào sự phát triển bền vững trong xây dựng.

1.1. Lịch sử phát triển của kết cấu mặt đường BTXM

Lịch sử phát triển của bê tông xi măng mặt đường đã chứng minh tính hiệu quả và độ bền của loại vật liệu này. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, bê tông xi măng có khả năng chịu tải tốt và tuổi thọ cao, đặc biệt khi sử dụng cốt liệu đá quartzite. Nhiều quốc gia đã áp dụng thành công bê tông xi măng trong xây dựng mặt đường ô tô và sân bay, cho thấy tiềm năng lớn của loại vật liệu này trong ngành xây dựng. Việc nghiên cứu và phát triển bê tông xi măng với cốt liệu đá quartzite sẽ mở ra hướng đi mới cho ngành xây dựng tại Việt Nam.

II. Nghiên cứu đặc tính cốt liệu đá quartzite ở Thanh Sơn Phú Thọ

Đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ được đánh giá là cốt liệu tự nhiên chất lượng cao với trữ lượng lớn. Nghiên cứu đã tiến hành phân tích thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ lý của đá quartzite, cho thấy nó đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật trong chế tạo bê tông xi măng. Đặc biệt, đá quartzite có khả năng chống hao mòn tốt, giúp tăng cường độ bền cho mặt đường. Việc khai thác và sử dụng cốt liệu đá quartzite không chỉ mang lại lợi ích về mặt kỹ thuật mà còn góp phần vào việc phát triển kinh tế địa phương. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc sử dụng cốt liệu này trong bê tông xi măng sẽ giúp cải thiện đáng kể chất lượng mặt đường, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong xây dựng giao thông.

2.1. Phân tích thành phần hóa học của đá quartzite

Phân tích thành phần hóa học của đá quartzite Thanh Sơn cho thấy hàm lượng silica cao, điều này góp phần vào tính chất cơ lý vượt trội của loại cốt liệu này. Các chỉ tiêu như độ hút nước, khối lượng thể tích xốp cũng được kiểm tra, cho thấy đá quartzite có khả năng giữ nước tốt, giúp cải thiện độ bền của bê tông. Nghiên cứu này khẳng định rằng, việc sử dụng cốt liệu đá quartzite trong bê tông xi măng là một lựa chọn hợp lý, không chỉ về mặt kỹ thuật mà còn về mặt kinh tế.

III. Thiết kế thành phần bê tông xi măng làm mặt đường ô tô sử dụng cốt liệu đá quartzite

Thiết kế thành phần bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite được thực hiện theo phương pháp ACI 211. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc thay thế hoàn toàn cốt liệu lớn bằng đá quartzite giúp cải thiện cường độ chịu nén và kéo uốn của bê tông. Các thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn và mô đun đàn hồi cho thấy bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite đạt yêu cầu kỹ thuật cao. Điều này chứng tỏ rằng, cốt liệu đá quartzite không chỉ đáp ứng tốt các tiêu chuẩn kỹ thuật mà còn mang lại hiệu quả kinh tế trong xây dựng mặt đường.

3.1. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén và kéo uốn

Các thí nghiệm xác định cường độ chịu nén và kéo uốn của bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite đã được thực hiện với nhiều mẫu khác nhau. Kết quả cho thấy, bê tông với cốt liệu đá quartzite có cường độ chịu nén cao hơn so với bê tông sử dụng cốt liệu khác. Điều này khẳng định rằng, cốt liệu đá quartzite là lựa chọn tối ưu cho việc chế tạo bê tông xi măng mặt đường, giúp nâng cao chất lượng và độ bền cho công trình.

IV. Nghiên cứu hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng

Nghiên cứu hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite cho thấy sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất của bê tông. Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng được xác định thông qua các thí nghiệm thực nghiệm, cho thấy rằng bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite có khả năng chịu nhiệt tốt hơn. Điều này rất quan trọng trong việc thiết kế mặt đường, đặc biệt là trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt. Việc hiểu rõ về hệ số giãn nở nhiệt sẽ giúp các kỹ sư có thể dự đoán và kiểm soát được các vấn đề liên quan đến ứng suất nhiệt trong bê tông.

4.1. Phân tích ảnh hưởng của cốt liệu đến ứng suất nhiệt

Phân tích cho thấy, cốt liệu đá quartzite có ảnh hưởng tích cực đến ứng suất nhiệt của bê tông xi măng. Việc sử dụng cốt liệu này giúp giảm thiểu ứng suất nhiệt, từ đó nâng cao độ bền và tuổi thọ của mặt đường. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị về mặt lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc thiết kế và thi công mặt đường bê tông xi măng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu. Chƣơng 1: Tổng quan về bê tông xi măng làm đƣờng và sử dụng đá quartzite trong bê tông. Chƣơng 2: Nghiên cứu đặc tính cốt liệu đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ và các vật liệu khác. Chƣơng 3: Thiết kế thành phần BTXM làm mặt đƣờng ô tô sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ và xác định cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ kéo uốn, mô đun đàn hồi.

Chƣơng 4: Nghiên cứu hệ số giãn nở nhiệt của BTXM, nghiên cứu hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của mặt đƣờng BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite. Kết luận, Kiến nghị. Những đóng góp mới của luận án. + Nghiên cứu về đặc tính cốt liệu của đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ và khẳng định vật liệu này phù hợp với tiêu chuẩn hiện hành và có thể đƣợc sử dụng để chế tạo BTXM mặt đƣờng.

+ Bằng quy hoạch thực nghiệm tác giả tìm ra đƣợc phƣơng trình hồi quy mô tả mối quan hệ giữa các hàm mục tiêu: cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ éo uốn với yếu tố ảnh hƣởng là tỷ lệ X/N, hai phƣơng trình hồi quy là: y1  19,19 X 2  5,62  2,5  X  3,5 2 y2  X 2  2,77  2,5  X  3,5 2 + Các kết quả thí nghiệm về cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ sụt của BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite có tác dụng tham khảo tốt trong giảng dạy, trong việc thiết kế, thi công các công trình giao thông cũng nhƣ đƣờng ô tô sau này. + Đã nghiên cứu về hệ số giãn nở nhiệt của BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite. 5 + Thông qua thực nghiệm tác giả xác định đƣợc biến dạng và hệ số giãn nở nhiệt của bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite và bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi theo các ngày tuổi bằng máy đo biến dạng SDA – 830B cụ thể nhƣ sau: - Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite theo 3, 7, 14, 28 ngày tuổi có hệ số giãn nở nhiệt bằng 11,1925; 11,2248; 11,2200; 11,1819 (10-6/0C ). - Bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi theo 3, 7, 14, 28 ngày tuổi có hệ số giãn nở nhiệt bằng 7,4791; 7,3830; 7,3996; 7,4132(10-6/0C ).

+ Luận án đã tính toán tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite và cốt liệu đá vôi với các ích thƣớc dự kiến là 4m x 3,5m x 0,25m, ích thƣớc 4,5m x 3,5m x 0,25m, theo quyết định QĐ3230[5] của Bộ Giao thông vận tải. - Kết quả tính toán cho thấy các tấm BTXM đều đạt yêu cầu về cƣờng độ, ứng suất nhiệt, ứng suất gây mỏi. - Khi thiết kế cùng thành phần thì bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đã tăng đồng thời cƣờng độ và ứng suất nhiệt so với bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi. Trong đó cƣờng độ chịu éo tăng 1,1% còn ứng suất nhiệt lớn nhất tăng 33,59%.

- Do các yếu tố trên nên mặt đƣờng bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite có nguy cơ sảy ra nứt trên mặt tấm cao hơn mặt đƣờng bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi, tỷ lệ chênh lệch gây nứt của bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite cao hơn bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi là 5,41%. - Kích thƣớc chiều dài của tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên chọn nhỏ hơn ích thƣớc chiều dài tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi. Kích thƣớc chiều dài của tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên chọn bằng 3,8m. + Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đáp ứng đƣợc các yêu cầu về cƣờng độ, hiệu quả kinh tế tốt do giá thành vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite rẻ hơn so với giá thành vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi.

TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG LÀM ĐƢỜNG VÀ SỬ DỤNG ĐÁ QUARTZITE TRONG BÊ TÔNG 1. Lịch sử phát triển của kết cấu mặt đƣờng BTXM. Theo các tài liệu [26], [28] bê tông là một trong các loại vật liệu xây dựng đƣợc sử dụng với hối lƣợng lớn và hông thể thiếu trong xây dựng hiện đại. Trong giai đoạn đầu tiên ết cấu bê tông đƣợc chế tạo dƣới dạng bản, dầm, cột đơn giản, giá thành xây dựng vẫn còn cao, từ cuối thế ỷ XIX nhu cầu sử dụng bê tông xi măng càng cao do sự phát triển của công nghiệp.

Do yêu cầu cao trong các điều iện hắc nghiệt nên từ lâu mặt đƣờng bằng bê tông xi măng hông cốt thép đã đƣợc sử dụng nhiều ở các nƣớc. Ở Anh từ năm 1872 đã làm mặt đƣờng bê tông xi măng ở 3 phố tại Êđibua. Ở Mỹ đƣợc làm mặt đƣờng BTXM đầu tiên vào năm 1892, nhƣng đến 1925-1930 mới phát triển phổ biến, hiện nay chiếm hoảng 9%. Ở Nga làm mặt đƣờng BTXM vào năm 1913.

Ở Đức hàng năm có hoảng 17 triệu m2 đƣờng BTXM đƣợc sử dụng, đa phần là bê tông xi măng chất lƣợng cao, chiếm hoảng 25% đƣờng cao tốc. Ở Trung Quốc mới chỉ từ năm 1950 đƣa vào sử dụng mặt đƣờng BTXM, mà đến những năm 1970 đã sử dụng phổ biến, mặt đƣờng BTXM chiếm 60% đƣờng cao tốc. Ở Việt Nam đầu tiên đƣợc sử dụng là mặt đƣờng Hùng Vƣơng vào năm 1975, sau đó có nhiều dự án Quốc lộ 2, quốc lộ 18, Quốc lội 1A, đƣờng Hồ Chí Minh giai đoạn 1 hoảng 400km. Theo các tài liệu [17], [20], mặt đƣờng BTXM là loại mặt đƣờng cứng, cấp cao thƣờng đƣợc dùng làm mặt đƣờng trong sân bay và trên các trục đƣờng ô tô có nhiều xe tải nặng, áp suất bánh xe lên mặt đƣờng từ 5 đến 7 Pa, mật độ xe lớn và tốc độ xe chạy cao.

Theo các tài liệu [16], [18], [27] mặt đƣờng BTXM gồm có mặt đƣờng BTXM thông thƣờng, mặt đƣờng BTXM cốt thép có he nối, mặt đƣờng BTXM lƣới thép, mặt đƣờng BTXM lƣới thép liên tục. Mặt đƣờng bê tông xi măng ở Việt Nam hiện nay cũng đã có nhiều hƣ hỏng nhƣ nứt vỡ tấm, vỡ cả cốt liệu, trong đó có nguyên nhân do sử dụng cốt 7 liệu chất lƣợng chƣa đảm bảo. Vì vậy việc sử dụng cốt liệu chất lƣợng cao để cải thiện chất lƣợng bê tông xi măng mặt đƣờng là cần thiết. Khái quát chung về bê tông xi măng Theo các tài liệu [1], [21], [22], [23], [24] bê tông xi măng là loại vật liệu đá nhân tạo nhận đƣợc sau khi làm rắn chắc hỗn hợp bê tông.

Hỗn hợp bê tông có thành phần đƣợc lựa chọn hợp lý gồm xi măng, nƣớc, cốt liệu (cát, sỏi hay đá dăm) và phụ gia. Trong bê tông cốt liệu đóng vai trò là bộ khung chịu lực để tăng cƣờng các đặc tính cơ học cho bê tông, đồng thời giảm giá thành cho bê tông. Hỗn hợp xi măng và nƣớc bao bọc xung quanh hạt cốt liệu đóng vai trò là chất dính kết liên kết các hạt cốt liệu, đồng thời lấp đầy các khoảng trống giữa các cốt liệu. Bê tông là vật liệu chính đƣợc sử dụng để xây dựng các công trình xây dựng, công trình giao thông, thuỷ lợi.

Bê tông có cốt thép gọi là bê tông cốt thép. Khi sử dụng cốt thép dự ứng lực trong bê tông thì gọi là bê tông dự ứng lực. Cốt thép dự ứng lực cải thiện trạng thái ứng suất trong kết cấu bê tông. Trong bê tông xi măng cốt liệu thƣờng chiếm 70 - 75%, còn xi măng và các thành phần khác chiếm 30 - 25% thể tích của khối bê tông đã đóng rắn.

Bê tông và bê tông cốt thép đƣợc sử dụng rộng rãi trong xây dựng vì có những ƣu điểm nhƣ: cƣờng độ cao; có thể chế tạo đƣợc những loại bê tông có cƣờng độ, hình dạng và tính chất khác nhau; giá thành hợp lý; bền vững và ổn định đối với nƣớc, nhiệt độ, độ ẩm. Tuy vậy, bê tông khá nặng và cách âm, cách nhiệt kém. Yêu cầu cơ bản của bê tông là phải đạt đƣợc độ dẻo để dễ thi công; đạt cƣờng độ ở tuổi quy định hoặc đạt các yêu cầu hác nhƣ độ chống thấm, ổn định với môi trƣờng và độ tin cậy hi hai thác, giá thành hông quá đắt. Với các loại bê tông đặc biệt phải tuân theo các quy định riêng, nhƣ cƣờng độ rất cao, rắn chắc nhanh, rất nhẹ, chống thấm cao hoặc dễ thi công.

Bê tông có nhiều loại, theo từng yêu cầu có các loại sau: 8 Theo cƣờng độ (mẫu trụ đƣờng kính 150 mm, chiều cao 300 mm, tuổi 28 ngày) có: Bê tông thƣờng, cƣờng độ từ 15 - 60 MPa. Bê tông cƣờng độ cao, cƣờng độ nén từ 60 – 100 MPa. Bê tông cƣờng độ rất cao, cƣờng độ nén từ 100 – 200 MPa. Trong xây dựng cầu đƣờng thƣờng sử dụng bê tông có cƣờng độ khoảng 25 - 60 MPa và lớn hơn.

Theo loại cốt liệu: bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng, bê tông cốt liệu đặc biệt (bê tông kêramdit, bê tông cốt kim loại (chống phóng xạ). Theo khối lƣợng thể tích: Bê tông đặc biệt nặng (0 > 3.0 g/cm3), chế tạo từ cốt liệu đặc biệt nặng, dùng cho những kết cấu đặc biệt; bê tông nặng (0 = 2.5 g/cm3) chế tạo từ cát đá sỏi tự nhiên, dùng cho kết cấu chịu lực; bê tông nhẹ (0= 0.8 g/cm3); bê tông đặc biệt nhẹ (0  0.5 g/cm3) đƣợc sử dụng trong các kết cấu đặc biệt. Theo phạm vi sử dụng: Bê tông thƣờng đƣợc dùng trong các kết cấu bê tông cốt thép (móng, cột, dầm, sàn .); bê tông thuỷ công, dùng để xây đập, âu thuyền, phủ lớp mái kênh, các công trình dẫn nƣớc .; bê tông mặt đƣờng, sân bay; bê tông kết cấu bao che (thƣờng là bê tông nhẹ); bê tông đặc biệt: Bê tông chịu nhiệt, chịu axit, bê tông chống phóng xạ. Cấu trúc của bê tông xi măng 1.

Sự hình thành cấu trúc của bê tông Sau khi trộn và đầm nén, các cấu trúc con của hỗn hợp bê tông đƣợc sắp xếp lại, cùng với sự thuỷ hoá của xi măng cấu trúc của bê tông đƣợc hình thành. Giai đoạn này gọi là giai đoạn hình thành cấu trúc. Các sản phẩm mới đƣợc hình thành do xi măng thuỷ hoá dần dần tăng lên, đến một lúc nào đó chúng tách ra khỏi dung dịch quá bão hoà. Số lƣợng sản phẩm mới tách ra tăng lên đến một mức nào đó thì cấu trúc keo tự chuyển sang cấu trúc tinh thể, làm cho cƣờng độ của bê tông tăng lên.

Sự hình thành cấu trúc tinh thể sẽ sinh ra hai hiện tƣợng ngƣợc nhau: tăng cƣờng độ và hình thành nội ứng suất trong mạng lƣới tinh thể.