Tổng quan nghiên cứu

Việc sử dụng vật liệu địa phương hiệu quả trong thiết kế và thi công đường ô tô là một yêu cầu quan trọng nhằm tối ưu hóa chi phí và đảm bảo chất lượng công trình. Ở khu vực phía Nam Việt Nam, cấp phối đá dăm (CPĐD) và cấp phối sỏi đỏ (CPSĐ) là hai loại vật liệu phổ biến được sử dụng làm lớp móng đường. Tuy nhiên, mỗi loại vật liệu đều có những ưu điểm và hạn chế riêng khi sử dụng độc lập. CPĐD có cường độ cao, kết cấu chặt kín nhưng chịu lực ngang kém và giảm cường độ khi ẩm ướt. Ngược lại, CPSĐ có lực dính tốt, chịu lực ngang tương đối nhưng cường độ không cao và không ổn định theo mùa.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định tỷ lệ phối trộn hợp lý giữa CPĐD và CPSĐ nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai loại vật liệu, từ đó nâng cao chất lượng lớp móng đường. Nghiên cứu được thực hiện trên các hỗn hợp phối trộn với tỷ lệ CPĐD:CPSĐ lần lượt là 100%:0%, 90%:10%, 80%:20%, 70%:30%, trong phạm vi thời gian từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2016 tại khu vực phía Nam Việt Nam. Các chỉ tiêu kỹ thuật như độ ẩm tối ưu, dung trọng khô lớn nhất, chỉ số CBR, môđun đàn hồi và cường độ chịu kéo gián tiếp được xác định thông qua thí nghiệm đầm nén và các phương pháp kiểm tra tiêu chuẩn.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất giải pháp sử dụng vật liệu địa phương một cách hiệu quả, giảm chi phí bảo dưỡng và nâng cao tuổi thọ công trình giao thông, đồng thời góp phần phát triển bền vững ngành xây dựng đường ô tô tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản về vật liệu xây dựng đường bộ, bao gồm:

  • Nguyên lý cấp phối vật liệu: Cấp phối đá dăm và cấp phối sỏi đỏ được hiểu là hỗn hợp vật liệu dạng hạt tuân thủ nguyên lý cấp phối liên tục, đảm bảo sự phân bố kích thước hạt phù hợp để tạo kết cấu chặt kín và ổn định. Cỡ hạt lớn nhất danh định (Dmax) được xác định là 25 mm cho CPĐD trong nghiên cứu.

  • Lý thuyết Morh-Coulomb về sức chống cắt: Sức chống cắt của vật liệu được xác định bởi lực dính c và góc ma sát trong ϕ, trong đó lực dính phân tử và lực dính tương hỗ đóng vai trò quan trọng trong sự liên kết giữa các hạt vật liệu.

  • Các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu cấp phối: Bao gồm độ hao mòn Los Angeles (LA), chỉ số CBR, môđun đàn hồi, cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ), giới hạn chảy và chỉ số dẻo. Các chỉ tiêu này phản ánh khả năng chịu lực, độ bền và tính ổn định của vật liệu trong điều kiện thi công và khai thác thực tế.

  • Mô hình gia cố nền móng bằng các chất liên kết vô cơ và hữu cơ: Gia cố vật liệu hạt bằng xi măng, vôi, nhựa đường hoặc các chất keo tụ nhằm tăng cường độ, ổn định nước và khả năng chịu tải trọng động.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm với các bước chính:

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu CPĐD và CPSĐ được lấy từ các nguồn địa phương khu vực phía Nam Việt Nam. Mẫu vật liệu được chuẩn bị và xử lý theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành như TCVN 8859:2011, TCVN 8857:2011, TCVN 7572-2:2006.

  • Phương pháp chọn mẫu: Mẫu vật liệu được lấy theo quy trình chuẩn, đảm bảo đại diện cho nguồn vật liệu thực tế. Cỡ mẫu khoảng 15 kg cho mỗi loại vật liệu, được sấy khô và phân loại theo kích thước hạt.

  • Thí nghiệm vật liệu đầu vào: Xác định thành phần hạt, hàm lượng hạt thoi dẹt, độ hao mòn Los Angeles, giới hạn chảy, giới hạn dẻo, tích số dẻo.

  • Thiết kế phối trộn: Năm tỷ lệ phối trộn CPĐD và CPSĐ được thử nghiệm gồm 100% CPĐD, 90% CPĐD + 10% CPSĐ, 80% CPĐD + 20% CPSĐ, 70% CPĐD + 30% CPSĐ, và 100% CPSĐ.

  • Thí nghiệm đầm nén: Xác định độ ẩm tối ưu và dung trọng khô lớn nhất của từng hỗn hợp phối trộn theo phương pháp đầm nén cải tiến II-D với độ chặt 98%.

  • Thí nghiệm chỉ tiêu kỹ thuật: Bao gồm xác định chỉ số CBR (ngâm nước 96 giờ), môđun đàn hồi trong điều kiện hạn chế nở hông và nở hông tự do, cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ).

  • Phân tích dữ liệu: So sánh các chỉ tiêu kỹ thuật giữa các tỷ lệ phối trộn, đánh giá ảnh hưởng của CPSĐ đến tính chất cơ lý của hỗn hợp.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 6 tháng, từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2016, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ ẩm tối ưu và dung trọng khô lớn nhất:

    • Hỗn hợp 80% CPĐD + 20% CPSĐ đạt độ ẩm tối ưu khoảng 5,2% và dung trọng khô lớn nhất là 2,35 g/cm³, cao hơn so với 100% CPĐD (độ ẩm tối ưu 4,8%, dung trọng khô 2,30 g/cm³).
    • Tỷ lệ phối trộn 70% CPĐD + 30% CPSĐ có độ ẩm tối ưu tăng lên 5,5% nhưng dung trọng khô giảm nhẹ còn 2,28 g/cm³.

  2. Chỉ số CBR:

    • Hỗn hợp 80% CPĐD + 20% CPSĐ có chỉ số CBR đạt 110%, vượt trội so với 100% CPĐD (CBR 95%) và 100% CPSĐ (CBR 70%).
    • Tỷ lệ phối trộn 90% CPĐD + 10% CPSĐ cũng cho kết quả CBR cao, khoảng 105%.

  3. Môđun đàn hồi:

    • Môđun đàn hồi trong điều kiện hạn chế nở hông của hỗn hợp 80% CPĐD + 20% CPSĐ đạt 2800 daN/cm², cao hơn 100% CPSĐ (1800 daN/cm²) và tương đương hoặc nhỉnh hơn 100% CPĐD (2700 daN/cm²).
    • Môđun đàn hồi nở hông tự do cũng cho thấy sự cải thiện rõ rệt khi phối trộn CPSĐ vào CPĐD.

  4. Cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ):

    • Hỗn hợp 80% CPĐD + 20% CPSĐ có cường độ chịu kéo gián tiếp đạt 3,5 daN/cm², tăng khoảng 15% so với 100% CPĐD (3,0 daN/cm²) và gấp đôi so với 100% CPSĐ (1,7 daN/cm²).

Thảo luận kết quả

Kết quả thí nghiệm cho thấy việc phối trộn CPSĐ vào CPĐD với tỷ lệ khoảng 20% mang lại sự cải thiện đáng kể về các chỉ tiêu cơ lý quan trọng như CBR, môđun đàn hồi và cường độ chịu kéo gián tiếp. Nguyên nhân chính là do CPSĐ có lực dính phân tử và chỉ số dẻo cao, giúp tăng cường lực liên kết giữa các hạt vật liệu, đồng thời CPĐD cung cấp cường độ nén cao và kết cấu chặt kín. Sự phối hợp này khắc phục được nhược điểm của từng loại vật liệu khi sử dụng riêng lẻ.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành xây dựng đường bộ về việc sử dụng vật liệu phối trộn nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu địa phương. Việc tăng cường lực dính và ổn định cơ học của hỗn hợp phối trộn giúp giảm thiểu hiện tượng nứt phản ánh và tăng tuổi thọ công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong quan hệ giữa tỷ lệ phối trộn và các chỉ tiêu kỹ thuật như CBR, môđun đàn hồi, cường độ chịu kéo gián tiếp để minh họa rõ ràng sự cải thiện khi tăng tỷ lệ CPSĐ đến mức tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ phối trộn 80% CPĐD + 20% CPSĐ trong thi công lớp móng đường khu vực phía Nam nhằm tối ưu hóa cường độ và độ bền của lớp móng, giảm chi phí bảo dưỡng trong vòng 1-2 năm đầu khai thác. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng và đơn vị thiết kế công trình.

  2. Xây dựng quy trình thi công chuẩn bao gồm kiểm soát độ ẩm tối ưu và dung trọng khô lớn nhất theo kết quả thí nghiệm đầm nén, đảm bảo chất lượng lớp móng đồng đều và ổn định. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án mới và cải tạo đường hiện hữu.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên và công nhân thi công về kỹ thuật phối trộn và đầm nén hỗn hợp CPĐD-CPSĐ, nâng cao nhận thức về vai trò của vật liệu phối trộn trong kết cấu móng đường. Chủ thể: các trường đào tạo kỹ thuật và các công ty xây dựng.

  4. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục mở rộng phạm vi phối trộn với các tỷ lệ khác và thử nghiệm trong điều kiện tải trọng thực tế để hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu phối trộn CPĐD-CPSĐ. Thời gian: 2-3 năm tiếp theo, chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế đường bộ: Nắm bắt các tiêu chuẩn kỹ thuật và phương pháp phối trộn vật liệu địa phương để thiết kế móng đường phù hợp, tiết kiệm chi phí và nâng cao chất lượng công trình.

  2. Nhà thầu thi công xây dựng: Áp dụng quy trình phối trộn và thi công lớp móng với tỷ lệ phối trộn tối ưu, đảm bảo chất lượng và tiến độ thi công.

  3. Các cơ quan quản lý giao thông và xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng hoặc cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật, quy định về vật liệu và thi công móng đường khu vực phía Nam.

  4. Sinh viên và nhà nghiên cứu chuyên ngành xây dựng đường ô tô: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả thí nghiệm và phân tích để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo hoặc ứng dụng thực tiễn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần phối trộn CPĐD và CPSĐ thay vì sử dụng riêng từng loại?
    Phối trộn giúp tận dụng ưu điểm của cả hai loại vật liệu: CPĐD có cường độ cao và kết cấu chặt, CPSĐ có lực dính tốt và chịu lực ngang tốt. Sự phối hợp này khắc phục nhược điểm riêng, nâng cao chất lượng lớp móng.

  2. Tỷ lệ phối trộn nào là tối ưu cho lớp móng đường?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ 80% CPĐD phối trộn với 20% CPSĐ đạt hiệu quả tốt nhất về độ ẩm tối ưu, dung trọng khô, chỉ số CBR và môđun đàn hồi, phù hợp cho điều kiện thi công và khai thác thực tế.

  3. Các chỉ tiêu kỹ thuật nào được sử dụng để đánh giá chất lượng hỗn hợp?
    Các chỉ tiêu chính gồm độ ẩm tối ưu, dung trọng khô lớn nhất, chỉ số CBR (khả năng chịu tải), môđun đàn hồi (độ cứng) và cường độ chịu kéo gián tiếp (độ bền kéo).

  4. Phương pháp thí nghiệm đầm nén cải tiến II-D có ưu điểm gì?
    Phương pháp này giúp xác định chính xác độ ẩm tối ưu và dung trọng khô lớn nhất của vật liệu, đảm bảo mẫu thử đạt độ chặt tương đương thực tế thi công, từ đó đánh giá đúng khả năng chịu lực của lớp móng.

  5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các khu vực khác ngoài phía Nam không?
    Mặc dù nghiên cứu tập trung vào vật liệu và điều kiện phía Nam, phương pháp phối trộn và đánh giá có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các khu vực khác có điều kiện vật liệu tương tự, cần nghiên cứu bổ sung để phù hợp đặc thù địa phương.

Kết luận

  • Đã xác định được tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa cấp phối đá dăm và cấp phối sỏi đỏ là 80% CPĐD và 20% CPSĐ, mang lại hiệu quả kỹ thuật vượt trội.
  • Hỗn hợp phối trộn này có độ ẩm tối ưu khoảng 5,2%, dung trọng khô lớn nhất 2,35 g/cm³, chỉ số CBR đạt 110%, môđun đàn hồi và cường độ chịu kéo gián tiếp đều cải thiện rõ rệt so với vật liệu đơn lẻ.
  • Phối trộn vật liệu giúp khắc phục nhược điểm của từng loại, tăng cường lực dính và ổn định cơ học, phù hợp cho lớp móng đường ô tô khu vực phía Nam.
  • Đề xuất áp dụng tỷ lệ phối trộn này trong thi công thực tế, đồng thời xây dựng quy trình thi công và đào tạo kỹ thuật viên để đảm bảo chất lượng công trình.
  • Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục mở rộng phạm vi phối trộn và thử nghiệm trong điều kiện tải trọng thực tế nhằm hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị thiết kế và thi công nên triển khai thử nghiệm thực tế với tỷ lệ phối trộn đề xuất, đồng thời phối hợp với các viện nghiên cứu để cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp.