Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật Vật liệu (mã số: 9520309) của tác giả Ngọ Văn Toản, thực hiện tại Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Hoàng Minh Đức và TS. Nguyễn Nam Thắng (Hà Nội, 2019), tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật: "Nghiên cứu nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn đối với mặt đường bê tông xi măng".

  • Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu: Nhu cầu phát triển hạ tầng giao thông đường bộ tại Việt Nam đòi hỏi lượng lớn vật liệu chế tạo bê tông xi măng (BTXM). Cốt liệu chiếm thể tích chủ yếu trong bê tông, trong đó cát thô ($M_{dl} > 2,0$) là thành phần truyền thống nhưng có trữ lượng hạn chế, phân bố không đồng đều (chủ yếu tập trung ở một số tỉnh miền Bắc và miền Trung), dẫn đến chi phí vận chuyển cao khi xây dựng tại các khu vực khác. Ngược lại, nguồn cát mịn ($M_{dl} = 0,7 \div 2,0$) có trữ lượng lớn tại đồng bằng sông Cửu Long, vùng Đông Bắc, Tây Bắc và dọc sông Hồng nhưng chưa được khai thác hiệu quả cho bê tông mặt đường. Khi sử dụng cát mịn thay thế cát thô, diện tích bề mặt cốt liệu tăng lên và cấp phối hạt trở nên gián đoạn, làm tăng lượng nước nhào trộn để đạt cùng độ sụt, tăng lượng xi măng để đạt cùng cường độ, đồng thời hỗn hợp dễ bị tách nước, phân tầng, co mềm. Các tiêu chuẩn và chỉ dẫn kỹ thuật trước đây (như TCVN 7570:2006, TCXD 127:1985, Quyết định 778/1998/QĐ-BXD) chỉ cho phép dùng cát mịn cho bê tông có cường độ nén $R_n \le 30\text{ MPa}$, tương quan cường độ chịu nén trên chịu kéo khi uốn ($R_n/R_{ku}$) ở cấp 1 ($R_{ku} \le 4,0\text{ MPa}$), và độ mài mòn $\le 0,6\text{ g/cm}^2$, chỉ thích hợp cho đường cấp IV trở xuống hoặc sân bãi. Mặt đường BTXM cấp I, II và III đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao hơn nhiều ($R_n/R_{ku} \ge 40/5,0\text{ MPa}$ cho cấp I, II; $35/4,5\text{ MPa}$ cho cấp III; độ mài mòn $< 0,3\text{ g/cm}^2$). Do đó, việc nghiên cứu giải pháp công nghệ nhằm nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn để đạt tiêu chuẩn mặt đường cấp I là khoảng trống kỹ thuật cấp thiết.

  • Mục tiêu nghiên cứu: Nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn ($R_{ku} > 5,0\text{ MPa}$) và khả năng chống mài mòn (độ mài mòn $< 0,3\text{ g/cm}^2$) của bê tông cát mịn dùng làm mặt đường bê tông xi măng tới đường cấp I.

  • Đối tượng nghiên cứu (được phân định thành hai nhóm cụ thể):

    1. Bê tông sử dụng cát mịn đơn thuần: Hướng tới cường độ chịu kéo khi uốn $R_{ku} > 4,5\text{ MPa}$, độ mài mòn đạt từ $0,3\text{ g/cm}^2$ đến $0,6\text{ g/cm}^2$, ứng dụng cho mặt đường BTXM từ cấp IV trở xuống và sân bãi.
    2. Bê tông sử dụng cát mịn phối hợp mạt đá vôi theo tỷ lệ hợp lý: Hướng tới cường độ chịu kéo khi uốn $R_{ku} > 5,0\text{ MPa}$, cường độ chịu nén $R_n > 40\text{ MPa}$, độ mài mòn $< 0,3\text{ g/cm}^2$, ứng dụng cho mặt đường BTXM tới đường cấp I.

  • Phạm vi nghiên cứu:

    • Phương pháp thi công: Công nghệ đầm rung thông thường.
    • Vật liệu: Cát mịn sông Hồng ($M_{dl} = 1,2 \div 1,9$), mạt đá vôi ($M_{dl} = 3,6$), đá vôi dăm ($D_{max} = 20\text{ mm}$), xi măng Poóc lăng hỗn hợp PCB40 Nghi Sơn, xi măng Poóc lăng PC40 Bút Sơn, phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate (Daltonmat-RDHP).
    • Không gian và kiểm chứng thực tế: Phòng thí nghiệm chuyên ngành (LAS-XD 03, LAS-XD 1432, LAS-XD 71) và các tuyến đường, sân bãi nội bộ tại Nhà máy 1 và Nhà máy 2 thuộc Công ty Cổ phần Vật liệu Xây dựng Sông Đáy.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa toàn diện các công trình nghiên cứu về cát mịn và bê tông cát mịn trong nước và quốc tế theo hai hướng tiếp cận chính:

1. Hướng nghiên cứu bê tông hạt nhỏ (bê tông cát, không dùng cốt liệu lớn)

  • Quốc tế: Thí nghiệm từ năm 1918 của Nicolas De Rochefort tại Saint-Petersburg (nghiền lẫn cát và clinker theo tỷ lệ 1:1); các ứng dụng năm 1941 tại Liên Xô cho đường sân bay Pevec, Arkangelsk, cao tốc Serpukov-Toula, vòm mỏng Nadym; nghiên cứu của Đại học Xây dựng Matxcơva (2007) về cấu kiện bê tông hạt mịn thạch anh; nghiên cứu của Francois Coignet (1853 tại Pháp) chế tạo bê tông cát đặc; nghiên cứu cát sa mạc tại Algieri ($M_{dl} = 1,22$) của các tác giả quốc tế; nghiên cứu kéo dài hơn 20 năm tại 17 khu vực mỏ cát thuộc Liên Xô cũ, Kazakhstan, Uzbekistan, Turkmenistan chế tạo bê tông hạt nhỏ cấp B22,5 và bê tông khí không chưng áp D500–D1200.
  • Việt Nam: Các nghiên cứu sử dụng cát mịn sông Hồng sản xuất bê tông cát của Nguyễn Văn Đốc và Hoàng Phủ Lan (UBKHNN, 1967); công trình nghiên cứu bê tông cát làm đường ô tô của tác giả năm 2010 với cát $M_{dl} = 1,73$ đạt $R_n = 30 \div 40\text{ MPa}$; ứng dụng sản xuất gạch block bê tông khí chưng áp (AAC) cấp 3 và 4 tại Công ty Cổ phần Sông Đáy – Hồng Hà Dầu Khí.

2. Hướng nghiên cứu thay thế cát thô bằng cát mịn trong bê tông thông thường (có cốt liệu lớn)

  • Quốc tế:
    • Tại Liên bang Nga/Liên Xô cũ: "Hướng dẫn kỹ thuật sử dụng cát mịn trong bê tông thủy công" (thập niên 1950); các công trình nghiên cứu của Ki-ri-en-cô, S.ton-nhi-côp, Gu-ba, Sơ-krăm-ta-ep, đối chiếu với quan điểm của Khi-ghê-rô-vich, Góoc-cha-kốp, Vô-rô-bi-ep; nghiên cứu cát sông Enisei ($M_{dl} = 1,13 \div 3,07$) phục vụ thủy điện Sayano-Shushenskaia; "Hướng dẫn sử dụng cát mịn trong bê tông xi măng cho mặt đường ô tô và sân bay" và "Hướng dẫn sử dụng bê tông ít cốt liệu lớn sử dụng cát mịn trong xây dựng mặt đường ô tô và sân bay" của Viện Nghiên cứu Đường bộ Liên Xô; các tiêu chuẩn GOST 8736-93 và GOST 26633-91.
    • Tại Trung Quốc: Quy phạm BGY 19-65; nghiên cứu của Viện Thủy lợi An Huy; nghiên cứu sử dụng cát sa mạc Tenggeli ($M_{dl} = 0,334$) và Maowusu ($M_{dl} = 0,194$) đạt cường độ tới $69,1\text{ MPa}$.
    • Tại các quốc gia khác: Dự án Dubai City (UAE, 2009) dùng cát mịn đạt $R_n = 45\text{ MPa}$; nghiên cứu cát sông Yamuna tại Ấn Độ ($M_{dl} = 2,0 \div 3,0$); nghiên cứu cát sa mạc tại Oman ($M_{dl} = 0,45 \div 0,88$); nghiên cứu tại Úc với cát sa mạc ($M_{dl} = 1,01$); nghiên cứu của Kim và cộng sự tại Hàn Quốc về cát nghiền đá vôi kết hợp cát sông; nghiên cứu của Xie Zhi-Hua về bột nghiền vỏ sò; nghiên cứu của R. Naidu (Malaysia) và S. Ang về cát mịn kết hợp cát nghiền bụi, tro bay và silica fume.
  • Việt Nam:
    • Các công trình của Viện Nghiên cứu Khoa học Thủy lợi và Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (thập niên 1970) cho bê tông $R_n \le 30\text{ MPa}$; Đề tài cấp Nhà nước của Bộ Xây dựng làm cơ sở ban hành tiêu chuẩn TCXD 127:1985; các nghiên cứu cấp phối gián đoạn thập niên 1990; nghiên cứu tại Đại học Xây dựng Hà Nội (2005) dùng cát mịn ($M_{dl} = 1,08$) kết hợp tro trấu và phụ gia siêu dẻo đạt $98\text{ MPa}$; nghiên cứu cát biển Vũng Tàu ($M_{dl} = 0,95$) và Bình Thuận ($M_{dl} = 1,31$) làm đường ô tô (2006); nghiên cứu cát đen sông Hồng đầm lăn cường độ thấp (2006); nghiên cứu cát mịn kết hợp tro trấu và xỉ lò cao gang thép Thái Nguyên (2010) đạt $67 \div 80\text{ MPa}$; nghiên cứu cát đen sông Hồng cho bê tông $40\text{ MPa}$ tại Hà Nội (2012); ứng dụng sản xuất cống ly tâm D300–D2500, cống hộp, hố ga, bó vỉa tại Công ty Cổ phần VLXD Sông Đáy.

3. Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng cát mịn cho bê tông chịu nén mác thấp ($\le 30\text{ MPa}$), dùng xi măng PC30 và phụ gia hóa dẻo thông thường, hoặc ứng dụng trong các kết cấu thủy công, dân dụng tĩnh. Nghiên cứu ứng dụng cát mịn cho mặt đường BTXM chịu uốn và mài mòn động còn rất hạn chế. Luận án tập trung giải quyết khoảng trống: kết hợp đồng thời cát mịn ($M_{dl} = 1,2 \div 1,9$), mạt đá vôi ($M_{dl} = 3,6$), xi măng mác cao (PC40, PCB40) và phụ gia siêu dẻo polycarboxylate nhằm tối ưu hóa vi cấu trúc, cải thiện vùng chuyển tiếp ITZ, từ đó nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn ($R_{ku} > 5,0\text{ MPa}$) và giảm độ mài mòn ($< 0,3\text{ g/cm}^2$) đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe của đường cấp I.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

1. Cơ sở lý thuyết và mô hình cấu trúc

  • Cơ chế phá hoại cơ học: Phá hoại chịu nén của bê tông xuất phát từ biến dạng nở ngang và vết nứt dọc, trong khi phá hoại chịu kéo khi uốn diễn ra trên toàn bộ tiết diện dầm (vùng kéo và vùng nén), vết nứt xuất hiện từ thớ kéo ngoài cùng khi ứng suất đạt tới giới hạn bền kéo uốn rồi lan truyền nhanh lên trục trung hòa gây phá hoại giòn. Do đó, quy luật ảnh hưởng của hệ số dư vữa ($K_d$) và tỷ lệ $X/N$ lên cường độ nén ($R_n$) và cường độ kéo uốn ($R_{ku}$) có sự phân hóa rõ rệt.
  • Mô hình composite ba pha: Bê tông gồm pha đá xi măng, pha cốt liệu và vùng chuyển tiếp tiếp xúc (ITZ - Interfacial Transition Zone). Vùng ITZ có chiều dày $50 \div 100\ \mu\text{m}$, tập trung nhiều lỗ rỗng và tinh thể thô ($\text{Ca(OH)}_2$, ettringite) do hiện tượng tách nước cục bộ dưới bề mặt hạt cốt liệu lớn. Sự phá hoại kéo uốn luôn bắt đầu từ vùng ITZ yếu nhất.
  • Thuyết hydrat hóa và cấu trúc đá xi măng: Theo Mehta và Monteiro, cường độ đá xi măng phụ thuộc vào việc tối đa hóa sản phẩm thủy hóa trong ("inner" C-S-H) có mức độ kết tinh thấp, cấu trúc hạt mịn xếp chặt, và triệt tiêu sản phẩm thủy hóa ngoài ("outer" C-S-H) dạng tinh thể lớn. Theo công thức Feret: $$f_c = K \left(\frac{c}{c + w + a}\right)^2 \approx K \left(\frac{1}{1 + w/c}\right)^2$$ Việc giảm tỷ lệ N/X là yếu tố quyết định làm giảm độ rỗng mao quản ($> 50\text{ nm}$) và tăng cường độ đá xi măng.
  • Cơ chế chống mài mòn: Độ mài mòn bề mặt xảy ra do chà xát và bong tróc hạt cốt liệu. Cát mịn có kích thước tương đương hạt cát mài nên dễ bị bật khỏi nền đá xi măng hơn so với hạt cốt liệu lớn. Khi phối hợp cát mịn với mạt đá vôi ($M_{dl} = 3,6$), các cỡ hạt trung gian sẽ lấp đầy lỗ rỗng trong cấp phối gián đoạn, tăng diện tích tiếp xúc ngàm giữ và tăng độ bám dính giữa vữa với cốt liệu lớn.

2. Vật liệu và phương pháp thực nghiệm

  • Vật liệu sử dụng:
    • Xi măng: PCB40 Nghi Sơn và PC40 Bút Sơn.
    • Cốt liệu nhỏ: Cát thô tự nhiên CV ($M_{dl} = 2,5$); ba loại cát mịn sông Hồng: C1 ($M_{dl} = 1,2$), C2 ($M_{dl} = 1,6$), C3 ($M_{dl} = 1,9$); mạt đá vôi M ($M_{dl} = 3,6$); ba hỗn hợp phối trộn giữa cát mịn và mạt đá: C1M, C2M, C3M.
    • Cốt liệu lớn: Đá dăm vôi Hà Nam/Hòa Bình, $D_{max} = 20\text{ mm}$.
    • Phụ gia: Phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate Daltonmat-RDHP có khả năng giảm nước cao.
  • Phương pháp thí nghiệm:
    • Phương pháp tiêu chuẩn: Thử nghiệm cơ lý theo TCVN, ASTM, AASHTO, GOST gồm: độ sụt hỗn hợp bê tông; độ phân tầng; cường độ nén mẫu lập phương ($R_n$); cường độ chịu kéo khi uốn mẫu dầm ($R_{ku}$); độ mài mòn đĩa quay (ĐMM); độ co khô; độ chống thấm nước dưới áp lực; mô đun đàn hồi tĩnh ($E_b$); độ bằng phẳng (thước 3m), độ nhám (rắc cát) và chỉ số gồ ghề quốc tế (IRI) trên mặt đường thực tế.
    • Phương pháp phi tiêu chuẩn: Thí nghiệm xác định lượng mất nước và độ co mềm của hỗn hợp bê tông và bê tông trong giai đoạn đầu đóng rắn ở điều kiện mô đun hở $M_h = 30\text{ m}^{-1}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và sử dụng của bê tông cát mịn

Chương này tổng kết cơ sở lý luận, tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành của Nga (GOST 8736-93, GOST 26633-91), Mỹ (AASHTO M 6-93, ASTM C33-03), Việt Nam (TCVN 7570:2006, TCXD 127:1985, QĐ 778/1998/QĐ-BXD) và bức tranh sử dụng cát mịn trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Tác giả phân tích rõ các rào cản kỹ thuật của cát mịn (tăng lượng nước, tăng lượng xi măng, gián đoạn cấp phối, suy giảm tính công tác, giảm $R_{ku}$ và tăng độ mài mòn) và xác lập cơ sở khoa học cho việc ứng dụng phụ gia siêu dẻo thế hệ mới kết hợp mạt đá vôi để khắc phục triệt để các nhược điểm này.

Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết tính chất cơ lý hóa của toàn bộ vật liệu đầu vào (bảng thành phần hạt, khối lượng thể tích, độ hổng, hàm lượng bụi bùn sét của cát C1, C2, C3, CV, mạt đá M và đá dăm $D_{max}=20\text{ mm}$; chỉ tiêu xi măng PC40, PCB40; hiệu năng giảm nước của phụ gia Daltonmat-RDHP). Thiết lập hệ thống thiết bị và quy trình thử nghiệm tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn phục vụ toàn bộ chương trình thực nghiệm.

Chương 3: Nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn đối với mặt đường bê tông xi măng

Chương 3 là phần thực nghiệm trọng tâm, nghiên cứu hành vi của hỗn hợp bê tông và bê tông đóng rắn qua hai hệ mẫu: sử dụng cát mịn đơn thuần (C1, C2, C3, CV) và sử dụng cát mịn phối hợp mạt đá vôi (C1M, C2M, C3M, CV).

Nhóm vật liệu cốt liệu nhỏ Hệ số dư vữa tối ưu ($K_d$) Tỷ lệ $X/N$ khảo sát Cường độ nén 28 ngày $R_{n28}\text{ (MPa)}$ Cường độ uốn 28 ngày $R_{ku28}\text{ (MPa)}$ Độ mài mòn 28 ngày $\text{ĐMM (g/cm}^2\text{)}$ Đánh giá khả năng đáp ứng cấp đường BTXM
Cát thô đối chứng (CV, $M_{dl}=2,5$) $1,25 \div 1,30$ $1,80 \div 2,30$ $42,5 \div 52,0$ $5,2 \div 6,2$ $0,20 \div 0,26$ Đạt tiêu chuẩn đường cấp I, II, III
Cát mịn đơn thuần (C1, C2, C3) $1,35 \div 1,45$ $1,80 \div 2,30$ $40,1 \div 50,5$ $4,6 \div 5,6$ $0,34 \div 0,55$ Đạt $R_{ku}$, nhưng ĐMM $> 0,3 \rightarrow$ Chỉ dùng cho đường cấp IV và sân bãi
Cát mịn + Mạt đá (C1M, C2M, C3M) $1,30 \div 1,35$ $1,80 \div 2,30$ $43,0 \div 53,5$ $5,1 \div 6,3$ $0,22 \div 0,28$ Đạt toàn diện tiêu chuẩn mặt đường cấp I, II, III

Các phát hiện quan trọng từ số liệu thực nghiệm Chương 3:

  • Tính công tác và duy trì độ sụt: Hỗn hợp bê tông cát mịn đòi hỏi lượng nước ban đầu cao hơn cát thô, nhưng khi kết hợp mạt đá vôi và phụ gia polycarboxylate, lượng nước nhào trộn giảm rõ rệt; tốc độ suy giảm độ sụt sau 30, 60, 90 phút của bê tông cát mịn phối hợp mạt đá diễn ra chậm và ổn định hơn bê tông cát mịn đơn thuần. Khả năng chống phân tầng của hệ cấp phối phối hợp mạt đá được cải thiện đáng kể.
  • Xác lập hệ số chất lượng vật liệu:
    • Thiết lập mối quan hệ cường độ nén $R_n = A_n \cdot R_{xn} (X/N - 0,5)$ và cường độ kéo uốn $R_{ku} = A_{ku} \cdot R_{xku} (X/N - 0,5)$.
    • Thực nghiệm xác định chính xác hệ số $A_n$ và $A_{ku}$ cho từng loại cát mịn và cát mịn phối hợp mạt đá ở các tỷ lệ $X/N = 1,80;\ 2,00;\ 2,30$. Khi phối hợp mạt đá vôi, hệ số $A_{ku}$ tăng tiệm cận và tương đương với bê tông sử dụng cát thô CV.
  • Tương quan cường độ và độ mài mòn: Cát mịn đơn thuần có thể đạt $R_{ku} > 5,0\text{ MPa}$ ở $X/N$ cao nhưng độ mài mòn luôn dao động trong khoảng $0,34 \div 0,55\text{ g/cm}^2$ (không đạt mức $< 0,3\text{ g/cm}^2$). Khi phối hợp mạt đá vôi ($M_{dl}=3,6$), độ mài mòn giảm mạnh xuống $0,22 \div 0,28\text{ g/cm}^2$, thỏa mãn hoàn toàn điều kiện mặt đường cấp I.

Chương 4: Nghiên cứu một số tính chất của bê tông cát mịn đối với mặt đường bê tông xi măng

Khảo sát chuyên sâu các chỉ tiêu độ bền lâu và biến dạng:

  • Mất nước và co mềm: Ở điều kiện mô đun hở $M_h = 30\text{ m}^{-1}$, bê tông sử dụng cát mịn đơn thuần có tốc độ mất nước nhanh và biến dạng co mềm trong 4–6 giờ đầu cao hơn bê tông cát thô. Bê tông sử dụng cát mịn phối hợp mạt đá vôi giảm đáng kể lượng mất nước và co mềm.
  • Co khô: Đo đạc biến dạng co ngót theo thời gian đến 180 ngày cho thấy bê tông phối hợp mạt đá có độ co ngót dài hạn thấp hơn và ổn định tương đương bê tông cát thô đối chứng.
  • Độ phát triển cường độ: Cường độ nén ($R_n$) và uốn ($R_{ku}$) ở các mốc 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày phát triển nhanh ở giai đoạn đầu nhờ phụ gia siêu dẻo polycarboxylate giúp giảm mạnh $N/X$.
  • Độ chống thấm và mô đun đàn hồi: Bê tông cát mịn phối hợp mạt đá đạt mác chống thấm nước cao (tương đương $\ge\text{W10} \div \text{W12}$), mô đun đàn hồi tĩnh $E_b$ đạt từ $3,1 \times 10^4\text{ MPa}$ đến $3,5 \times 10^4\text{ MPa}$, đáp ứng yêu cầu tính toán tấm bê tông trên nền đàn hồi.
  • Biện pháp công nghệ chống nứt sớm: Đề xuất quy trình thi công, thời điểm tạo nhám, cắt khe co giãn và phủ màng bảo dưỡng giữ ẩm ngay sau khi hoàn thiện bề mặt nhằm triệt tiêu vết nứt do co mềm.

Chương 5: Ứng dụng thực tế và đánh giá hiệu quả kinh tế

  • Ứng dụng thực tế: Chế tạo và thi công mặt đường BTXM nội bộ, sân bãi chịu tải nặng tại Nhà máy 1 và Nhà máy 2 thuộc Công ty Cổ phần Vật liệu Xây dựng Sông Đáy.
  • Kết quả kiểm tra hiện trường: Khoan mẫu kiểm tra tại công trình cho thấy các chỉ tiêu cơ lý thực tế đạt $R_n > 40\text{ MPa}$, $R_{ku} > 5,0\text{ MPa}$, chiều dày kết cấu đồng đều; đo đạc thực tế độ bằng phẳng bằng thước 3m, độ nhám rắc cát và mô đun đàn hồi mặt đường đạt toàn bộ tiêu chuẩn thiết kế đường BTXM hiện hành.
  • Đánh giá hiệu quả kinh tế: So sánh chi phí vật liệu cho $1\text{ m}^3$ bê tông cát mịn phối hợp mạt đá tại chỗ so với phương án vận chuyển cát thô từ xa cho thấy giá thành sản phẩm giảm từ $10%$ đến $15%$.

Kết quả và những đóng góp mới

1. Đóng góp mới về mặt khoa học

  • Chứng minh bằng thực nghiệm và cơ sở khoa học rằng: việc sử dụng cát mịn ($M_{dl} = 1,2 \div 1,9$) phối hợp với mạt đá vôi ($M_{dl} = 3,6$), xi măng (PC40, PCB40) và phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate cho phép chế tạo thành công bê tông có cường độ chịu kéo khi uốn $R_{ku} > 5,0\text{ MPa}$, cường độ chịu nén $R_n > 40\text{ MPa}$ và độ mài mòn $< 0,3\text{ g/cm}^2$, đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật làm mặt đường BTXM tới cấp I.
  • Xác định rõ giới hạn kỹ thuật của phương án dùng riêng cát mịn (không phối hợp mạt đá): dù có thể nâng cường độ kéo khi uốn $R_{ku} > 5,0\text{ MPa}$ và $R_n > 40\text{ MPa}$, nhưng độ mài mòn không thể hạ xuống dưới $0,3\text{ g/cm}^2$, đồng thời độ mất nước và co mềm cao hơn, do đó chỉ phù hợp cho mặt đường cấp IV trở xuống hoặc sân bãi kèm biện pháp chống nứt ban đầu.
  • Xác lập hệ số chất lượng vật liệu chịu nén ($A_n$), chịu kéo khi uốn ($A_{ku}$) và hệ số dư vữa tối ưu ($K_d$) cho hỗn hợp bê tông cát mịn phối hợp mạt đá vôi, bổ sung dữ liệu thực nghiệm cho lý thuyết tính toán thành phần cấp phối bê tông cấp phối gián đoạn.

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

  • Cung cấp giải pháp công nghệ khả thi giúp tận dụng nguồn tài nguyên cát mịn dồi dào và nguồn phế thải mạt đá vôi tại chỗ, giải quyết triệt để bài toán khan hiếm cát thô xây dựng.
  • Đề xuất quy trình công nghệ thi công đầm rung thông thường và biện pháp bảo dưỡng ẩm sớm chống nứt mặt đường trong giai đoạn đóng rắn ban đầu.
  • Đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt: giảm giá thành $10 \div 15%$ chi phí sản xuất $1\text{ m}^3$ bê tông so với phương án dùng cát thô vận chuyển đường dài.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm tập trung chủ yếu vào nguồn cát mịn sông Hồng ($M_{dl} = 1,2 \div 1,9$) và mạt đá vôi tại khu vực Hà Nam, Hòa Bình; chưa bao quát hết các nguồn cát mịn có đặc tính phức tạp khác.
    • Công nghệ thi công trong nghiên cứu định hướng trên phương pháp đầm rung thông thường, chưa mở rộng đánh giá đối với dây chuyền thi công cơ giới hóa cao như đầm lăn (RCC) hoặc máy rải ván khuôn trượt công suất lớn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng nghiên cứu sang các nguồn cát mịn đặc thù khác như cát mịn đồng bằng sông Cửu Long (chứa hàm lượng bụi, bùn sét cao), cát biển ven duyên hải miền Trung (chứa tạp chất ion $\text{Cl}^-$) và cát sa mạc.
    • Nghiên cứu kết hợp cát mịn với các loại tro bay, xỉ lò cao nghiền mịn hoặc silica fume cùng các loại mạt đá khác (đá bazan, đá granit) trong bê tông mặt đường cấp cao.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên và giảng viên ngành Vật liệu xây dựng, Công trình giao thông: Luận án là tài liệu tham khảo chi tiết về cơ sở lý thuyết composite ba pha, vùng chuyển tiếp ITZ, công thức Feret biến tính và phương pháp thiết kế thành phần bê tông cấp phối gián đoạn có phụ gia polycarboxylate.
  • Đối với các kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát: Cung cấp hệ số thực nghiệm $A_n$, $A_{ku}$, tỷ lệ phối trộn cát mịn – mạt đá vôi và các thông số mô đun đàn hồi tĩnh ($E_b$) phục vụ tính toán kết cấu tấm mặt đường BTXM.
  • Đối với các chủ đầu tư, ban quản lý dự án và nhà thầu thi công: Cung cấp giải pháp kỹ thuật hạ giá thành công trình $10 \div 15%$, tận dụng vật liệu địa phương tại các vùng khan hiếm cát thô (đồng bằng sông Cửu Long, miền núi phía Bắc) và hướng dẫn biện pháp kiểm soát nứt mặt đường trong 6 giờ đầu sau khi đổ bê tông.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao bê tông chỉ dùng cát mịn đơn thuần dù đạt cường độ kéo uốn trên 5,0 MPa nhưng vẫn không được dùng cho mặt đường cấp I?
Trả lời: Vì bê tông dùng riêng cát mịn có độ mài mòn chỉ đạt mức $0,34 \div 0,55\text{ g/cm}^2$ (không đạt yêu cầu $< 0,3\text{ g/cm}^2$ của đường cấp I). Hơn nữa, bê tông cát mịn đơn thuần có độ mất nước và co mềm ban đầu lớn, dễ nứt tế vi mặt đường nếu không có biện pháp bảo dưỡng cực kỳ nghiêm ngặt.

2. Giải pháp kỹ thuật nào trong luận án giúp đưa độ mài mòn của bê tông cát mịn xuống dưới 0,3 g/cm²?
Trả lời: Phối hợp cát mịn với mạt đá vôi ($M_{dl} = 3,6$) theo tỷ lệ cấp phối hợp lý kết hợp phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate. Mạt đá bổ sung các hạt cỡ trung gian lấp đầy lỗ rỗng cấp phối gián đoạn, tăng cường độ dính kết của vữa và giữ chặt các hạt cốt liệu không bị bóc tách khi chịu mài mòn.

3. Tỷ lệ nước/xi măng (N/X) và hệ số dư vữa ($K_d$) thay đổi như thế nào khi sử dụng cát mịn phối hợp mạt đá?
Trả lời: Nhờ sử dụng phụ gia siêu dẻo polycarboxylate, tỷ lệ $N/X$ được duy trì ở mức thấp ($X/N = 1,80 \div 2,30$, tương đương $N/X \approx 0,43 \div 0,55$). Hệ số dư vữa tối ưu $K_d$ được xác lập trong khoảng $1,30 \div 1,35$, thấp hơn mức $1,35 \div 1,45$ của bê tông cát mịn đơn thuần.

4. Luận án đã kiểm chứng kết quả thực nghiệm tại những công trình cụ thể nào?
Trả lời: Luận án đã ứng dụng chế tạo bê tông rải mặt đường và sân bãi nội bộ tại Nhà máy 1 và Nhà máy 2 của Công ty Cổ phần Vật liệu Xây dựng Sông Đáy. Kết quả khoan mẫu và đo đạc hiện trường xác nhận bê tông đạt $R_n > 40\text{ MPa}$, $R_{ku} > 5,0\text{ MPa}$, độ bằng phẳng, độ nhám và mô đun đàn hồi đạt toàn bộ tiêu chuẩn thiết kế.

5. Mức độ tiết kiệm chi phí khi ứng dụng giải pháp của luận án là bao nhiêu?
Trả lời: Kết quả phân tích đơn giá vật liệu cho thấy phương án sử dụng cát mịn tại chỗ phối hợp mạt đá vôi giúp giảm từ $10%$ đến $15%$ giá thành cho $1\text{ m}^3$ bê tông so với phương án vận chuyển cát thô từ nơi xa.

Kết luận

Luận án của tác giả Ngọ Văn Toản đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán khoa học và thực tiễn về việc nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn ($R_{ku} > 5,0\text{ MPa}$) và khả năng chống mài mòn (độ mài mòn $< 0,3\text{ g/cm}^2$) của bê tông cát mịn thông qua giải pháp phối hợp mạt đá vôi ($M_{dl} = 3,6$) và phụ gia siêu dẻo polycarboxylate. Kết quả nghiên cứu đã mở rộng phạm vi ứng dụng của nguồn tài nguyên cát mịn sông Hồng cho mặt đường bê tông xi măng tới cấp I thi công theo phương pháp đầm rung thông thường, thay vì chỉ giới hạn ở đường cấp thấp như các quy chuẩn trước đây. Công trình đã được kiểm chứng thực tế tại hiện trường sản xuất của Công ty Cổ phần Vật liệu Xây dựng Sông Đáy, mang lại hiệu quả kinh tế giảm $10 \div 15%$ giá thành và có giá trị tham khảo kỹ thuật cao cho ngành vật liệu xây dựng đường bộ Việt Nam.