MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu Cùng với công cuộc đổi mới, trong sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nƣớc những thập kỷ gần đây với sự mở rộng quan hệ hợp tác quốc tế, nền kinh tế nƣớc ta có những bƣớc phát triển mạnh mẽ. Đất nƣớc ngày càng phát triển thì nhu cầu đi lại ngày một nhiều hơn, đòi hỏi việc xây dựng hệ thống đƣờng giao thông ngày một cao hơn, khiến nhu cầu về nguồn vật liệu dùng trong ngành công nghiệp bê tông ngày một tăng lên. Trong số các vật liệu sử dụng chế tạo bê tông thì cốt liệu chiếm chủ yếu thể tích bê tông và có ảnh hƣởng đáng kể không những đến tính chất của hỗn hợp bê tông cũng nhƣ bê tông mà còn đến các chỉ tiêu kinh tế, giá thành của bê tông.
Điều này, dẫn đến xu hƣớng chung hiện nay là sử dụng tối đa các nguồn cốt liệu sẵn có tại địa phƣơng trong sản xuất bê tông nhằm giảm giá thành trong xây dựng. Đất nƣớc ta có nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú, nguồn cốt liệu để chế tạo bê tông với trữ lƣợng lớn, chất lƣợng tốt. Ở miền bắc nguồn cốt liệu lớn chủ yếu là đá đƣợc khai thác ở Hà Nam, Hòa Bình… nguồn cốt liệu nhỏ chủ yếu là cát Sông Lô, Sông Hồng có chất lƣợng tốt. Tuy nhiên, hiện nay nguồn cát thô ngày càng khan hiếm trong khi nguồn cát mịn lại có trữ lƣợng rất lớn phân bố nhiều vùng miền trên cả nƣớc ít đƣợc quan tâm sử dụng trong ngành công nghiệp bê tông.
Để đáp ứng nhu cầu vật liệu cho các công trình xây dựng, giao thông, thủy lợi, thủy điện… bên cạnh các nguồn vật liệu truyền thống nhƣ cát thô không thể không nói tới nguồn vật liệu cát mịn dùng cho bê tông xi măng nói chung đặc biệt là đƣờng bê tông xi măng nói riêng. Trƣớc thực tế này, đề tài “Nghiên cứu nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn, khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn đối với mặt đường bê tông xi măng” đƣợc tiến hành, góp phần chứng tỏ khả năng sử dụng đƣợc nguồn cát mịn thay thế cát thô để chế tạo bê tông sử dụng cho mặt đƣờng bê tông xi măng và đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng loại bê tông này cho các công trình giao thông, xây dựng, thủy lợi… ở nƣớc ta. Tính cấp thiết của đề tài Phát triển hệ thống cơ sở hạ tầng, trong đó có hệ thống đƣờng giao thông là nhu cầu cấp bách của nhiều địa phƣơng trong cả nƣớc. Để nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật, thi công xây dựng đƣờng bê tông xi măng cần sử dụng tối đa vật liệu tại chỗ nhằm giảm chi phí vận chuyển.
Điều này đặc biệt quan trọng đối với tình hình hiện nay, đó là cát sử dụng cho bê tông bao gồm cát thô và cát mịn, trong đó cát thô đƣợc sử dụng phổ biến nhất, tuy nhiên trữ lƣợng cát thô của nƣớc ta không nhiều, phân bố không đồng đều ở các vùng miền trong cả nƣớc, nên nhiều nơi phải nhập khẩu cát hoặc vận chuyển xa, giá thành cao, thiếu sự chủ động về nguồn cát để chế tạo bê tông. Trong khi đó, nhiều nơi ở nƣớc ta lại có trữ lƣợng cát mịn khá lớn (các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, vùng Đông Bắc, Tây Nguyên…), giá thành hạ. Vì vậy, nếu sử dụng đƣợc loại cát này làm đƣờng bê tông xi măng sẽ có thêm nguồn cốt liệu nhỏ, mở rộng đƣợc việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên sẵn có, giải quyết đƣợc một phần khan hiếm cát thô cho bê tông hiện nay cũng nhƣ về lâu dài. Ở một số vùng khan hiếm cát thô nhƣng sẵn nguồn cát mịn giá rẻ hơn thì việc sử dụng cát mịn thay cát thô còn góp phần làm giảm giá thành bê tông.
Do đó, việc sử dụng cát mịn cho bê tông xi măng nói chung và bê tông đƣờng nói riêng sẽ đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật và có ý nghĩa thực tiễn đáng kể đối với Việt Nam. Các nghiên cứu trên thế giới [68], [95], [96], cũng nhƣ ở Việt Nam [7], [10], [14], [17], [21], cho thấy rằng cát mịn ở Việt Nam dùng cho bê tông đã đƣợc thử nghiệm ứng dụng triển khai từ rất lâu nhƣng chủ yếu trong phạm vi các công trình thủy lợi, thủy điện và số ít các công trình dân dụng với bê tông mác thấp khoảng từ 10 MPa đến 25 MPa. Các nghiên cứu ứng dụng cát mịn để làm bê tông đƣờng còn ít đƣợc quan tâm. Theo thiết kế, các loại áo đƣờng cứng thì đƣờng bê tông xi măng làm việc theo nguyên tắc của ‟tấm trên nền đàn hồi” nên cƣờng độ chịu kéo khi uốn là chỉ tiêu quan trọng, ngoài ra nếu mặt đƣờng bê tông xi măng không đƣợc phủ thêm lớp nhựa trên bề mặt thì nó sẽ tiếp xúc trực tiếp với các phƣơng tiện đi lại, khi đó khả năng chống mài mòn cũng là chỉ tiêu rất quan trọng.
Mặt khác, cƣờng độ chịu kéo khi uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông sử dụng cát mịn thấp hơn so với bê tông sử dụng cát thô. 2 luan an Với việc sử dụng cát mịn thay cho cát thô, lƣợng nƣớc nhào trộn để hỗn hợp bê tông đạt cùng độ sụt và lƣợng dùng xi măng để bê tông đạt đƣợc cùng cƣờng độ cần tăng lên, thành phần hạt của cốt liệu trong bê tông trở nên gián đoạn, tỷ diện tích bề mặt cốt liệu tăng lên. Điều này dẫn tới thay đổi cấu trúc bê tông, làm một số tính chất của hỗn bê tông nhƣ độ tách nƣớc, độ tách vữa, phân tầng, độ co mềm, một số tính chất của bê tông nhƣ cƣờng độ nén, cƣờng độ chịu kéo khi uốn, khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn bị suy giảm hơn so với bê tông cát thô. Do đó, các tiêu chuẩn, chỉ dẫn kỹ thuật quy định chỉ sử dụng cát mịn cho bê tông có cƣờng độ chịu nén tới 30 MPa.
Tƣơng quan cƣờng độ chịu nén trên cƣờng độ chịu kéo khi uốn mới đạt ở mức theo cấp 1 (cƣờng độ chịu kéo khi uốn thƣờng đạt giá trị tới 4,0 MPa), độ mài mòn của bê tông chỉ ở mức ≤ 0,6 g/cm2. Vì vậy, nếu không có sự cải tiến thì bê tông cát mịn chỉ phù hợp cho mặt đƣờng bê tông xi măng đƣờng cấp IV trở xuống và sân bãi. Đối với đƣờng bê tông cấp I,II,III, cƣờng độ chịu nén/cƣờng độ kéo khi uốn (Rn/Rku, MPa) đòi hỏi phải đạt giá trị cao hơn, tƣơng ứng không nhỏ hơn 40/5,0 cho bê tông đƣờng một lớp hoặc lớp mặt cấp I, II và 35/4,5 – cấp III. Độ mài mòn đƣờng bê tông cấp I, II, III cũng đòi hỏi phải nhỏ hơn 0,3 g/cm2.
Vì vậy, việc nghiên cứu nâng cao cƣờng độ chịu kéo khi uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đối với mặt đƣờng bê tông xi măng tới đƣờng cấp I là rất cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nâng cao cƣờng độ chịu kéo khi uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn dùng làm mặt đƣờng bê tông xi măng tới đƣờng cấp I. Đối tƣợng và nội dung nghiên cứu 4. Đối tượng nghiên cứu: Bê tông sử dụng cát mịn và sử dụng cát mịn phối hợp với mạt đá vôi làm mặt đƣờng đƣờng bê tông xi măng và thi công theo phƣơng pháp đầm rung bình thƣờng, cụ thể là: 3 luan an - Bê tông sử dụng cát mịn: cƣờng độ chịu kéo khi uốn lớn hơn 4,5 MPa, độ mài mòn có giá trị đạt đƣợc từ 0,3 g/cm2 đến 0,6 g/cm2 dùng cho mặt đƣờng bê tông xi măng đƣờng cấp IV trở xuống và sân bãi.
- Bê tông sử dụng cát mịn phối hợp mạt đá vôi theo tỷ lệ hợp lý: cƣờng độ chịu kéo khi uốn lớn hơn 5,0 MPa, độ mài mòn nhỏ hơn 0,3 g/cm2 dùng cho mặt đƣờng bê tông xi măng tới đƣờng cấp I. Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan về tình hình nghiên cứu và sử dụng bê tông cát mịn trên thế giới và ở Việt Nam để xây dựng các vấn đề khoa học cần giải quyết. - Nghiên cứu cơ sở lý luận nâng cao cƣờng độ chịu kéo khi uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn đối với mặt đƣờng bê tông xi măng. - Nghiên cứu lựa chọn các vật liệu đầu vào.
- Nghiên cứu nâng cao cƣờng độ chịu kéo khi uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn đối với mặt đƣờng bê tông xi măng. - Nghiên cứu một số tính chất của bê tông cát mịn đối với mặt đƣờng bê tông xi măng - Nghiên cứu ứng dụng thực tế và đánh giá hiệu quả kinh tế của bê tông cát mịn đối với mặt đƣờng bê tông xi măng. Ý nghĩa khoa học Bằng nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, luận án đã xác lập đƣợc một số tƣơng quan ảnh hƣởng và phụ thuộc trong bê tông có cốt liệu nhỏ là cát mịn, hỗn hợp cát mịn kết hợp mạt đá, phụ gia giảm nƣớc mạnh trong miền cƣờng độ chịu kéo khi uốn Rku (4,0 ÷ 7,0) MPa , nhƣ sau: - Lƣợng dùng nƣớc cho bê tông; - Tƣơng quan cƣờng độ chịu nén của bê tông với cƣờng độ chịu nén của xi măng và tỷ lệ N/X; - Tƣơng quan cƣờng độ kéo khi uốn của bê tông với cƣờng độ kéo khi uốn của xi măng và tỷ lệ N/X; - Tƣơng quan cƣờng độ chịu nén và cƣờng độ kéo khi uốn của bê tông; 4 luan an - Ảnh hƣởng của cốt liệu nhỏ là cát mịn, cát mịn kết hợp mạt đá đến khả năng chống mài mòn của bê tông; - Ảnh hƣởng của cốt liệu nhỏ là cát mịn, cát mịn kết hợp mạt đá đến một số tính chất của bê tông: co mềm, co khô, sự phát triển cƣờng độ, độ chống thấm nƣớc, mô đun đàn hồi của bê tông; - Một số yêu cầu công nghệ hạn chế nứt mặt đƣờng bê tông khi thi công. Ý nghĩa thực tiễn Sử dụng cát mịn kết hợp với mạt đá và phụ gia siêu dẻo, xi măng (PC40, PCB40) có thể sản xuất đƣợc bê tông dùng cho mặt đƣờng bê tông xi măng tới đƣờng cấp I với giá thành giảm từ (10 ÷ 15) % so với khi sử dụng cát thô vận chuyển từ xa.