CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN BẰNG VẬT LIỆU HỖN HỢP ASPHALT CHÈN TRONG ĐÁ HỘC 1. Khái quát chung về đê biển và kè bảo vệ mái 1. Khái quát chung Việt Nam là một quốc gia năm trong khu vực ổ bão tây bắc Thái Bình Dương với đường bở biển dài. Hệ thống đê biển của nước ta đã được hình thành từ rất sớm, là minh chứng cho quá trình chống chọi với thiên nhiên không ngừng của người Việt Nam.
Hệ thống đê biển đã được xây dựng, bồi trúc và phát triển qua nhiều thế hệ với vật liệu chủ yếu là đất và đá lấy tại chỗ do người địa phương tự đắp bằng phương pháp thủ công. Theo xu thế phát triển hiện nay, vùng ven biển nước ta sẽ là một vùng kinh tế trọng điểm năng động và ngày càng đóng vai trò quan trọng hơn trong nền kinh tế quốc dân và an ninh quốc phòng. Do vậy, phải xây dựng tuyến đê biển kết hợp đa mục tiêu vừa phòng chống thiên tai, ngăn lũ, kiểm soát mặn, bảo đảm an toàn dân sinh, kinh tế cho vùng đê bảo vệ, đồng thời kết hợp là tuyến đường giao thông ven biển quan trọng phục vụ phát triển kinh tế, du lịch, an ninh quốc phòng. Tạo tiền đề thúc đẩy phát triển kinh tế, đảm bảo phát triển bền vững khu vực ven biển.
Đê biển là loại công trình quan trọng, tuỳ thuộc vào quy mô và tính chất của khu vực tuyến đê bảo vệ mà được phân thành 5 cấp [7]. Cấp công trình đê biển là căn cứ để xác định các yêu cầu kỹ thuật bắt buộc phải tuân thủ theo các mức khác nhau phù hợp với quy mô và tầm quan trọng của công trình đê biển, là cơ sở và căn cứ pháp lý để thiết kế và quản lý đê biển. Cấp thiết kế công trình đê biển cũng là cấp công trình đê biển. Căn cứ vào điều kiện dân sinh kinh tế và môi trường, địa hình, địa chất, khí tượng thủy văn, hải văn… để lựa chọn vị trí tuyến đê, hình dạng tuyến đê và hình dạng mặt cắt đê biển.
Căn cứ vào đặc điểm hình học của mái đê phía biển, mặt cắt đê biển được chia thành 3 loại chính là đê mái nghiêng, đê tường đứng và đê hỗn hợp (trên nghiêng dưới đứng hoặc trên đứng dưới nghiêng). Căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất, thủy hải văn, vật liệu xây dựng, điều kiện thi công và yêu cầu sử dụng để chọn dạng mặt cắt đê biển phù hợp.1 giới thiệu 8 dạng mặt cắt điển hình [7]. luan an -6- Hình 1. 1- Các dạng mặt cắt ngang đê biển [7] Để đảm bảo an toàn và hiệu quả của đê biển, việc tính toán lựa chọn quy mô, hình thức xử lý nền, hình dạng mắt cắt và vật liệu sử dụng cho thân đê, các công trình qua thân đê, các công trình trên đê trong đó có hình thức kè bảo vệ mái đê biển là vô cùng quan trọng.
Kè bảo vệ mái có 3 bộ phận chính: Đỉnh kè (thường có tường đỉnh), thân kè và chân kè. Kè có rất nhiều loại cấu tạo khác nhau (cứng-mềm; bê tông - đá xây - đá đổ - đá lát khan - đá chít mạch; đổ tại chỗ - lắp ghép; phối hợp). Các dạng kết cấu bảo vệ mái đê biển ở Việt Nam Hệ thống đê biển của nước ta hiện tại đang sử dụng phổ biến các dạng kết cấu bảo vệ mái, bao gồm: Trồng cỏ (1); Đá hộc thả rối (2); Đá hộc lát khan (3); Đá hộc xây (4); Thảm rọ đá (5); Tấm bê tông đúc sẵn, ghép rời (6); Tấm bê tông đúc sẵn, liên kết mảng (7); Hỗn hợp nhiều loại (8)…[7]. Một số hình ảnh kết cấu mái đê biển như hình 1.
Giá cố mái bằng trồng cỏ tuyến đê biển b. Đá hộc thả rối, đê biển Cát Hải Hải Phòng Đồng Môn Hà Tĩnh c.Đá lát khan, giữ bằng khung đá xây đê biển d.Đá xây chia ô, đê biển Hải Thịnh II Hải Hậu, Nam Định Nam Định e.Thảm rọ đá đê biển Lạch Vạn Nghệ An f.Cấu kiện bê tông đúc sẵn ghép rời g.Cấu kiện bê tông đúc sẵn, liên kết mảng đê biển Nghĩa Phúc Nam Định Hình 1. 2- Một số hình ảnh kết cấu bảo vệ mái đê biển Việt Nam [11],[12] luan an -8- Cho đến nay, các giải pháp kết cấu bảo vệ mái đê biển trên đã được áp dụng một cách phổ biến. Tuy nhiên, mỗi một giải pháp chỉ có một phạm vi thích hợp nhất định.
Bên cạnh đó, phần lớn chúng bộc lộ các khuyết điểm như mái đê dễ bị xói sạt khi mưa lớn, sóng leo trong bão, sóng biển mạnh ăn mòn lớp gia cố đê biển bằng bê tông một cách nhanh chóng làm cho tuổi thọ lớp bảo vệ này giảm đáng kể, thường xuyên phải thay bằng các tấm bê tông mới rất tốn kém, giá thành cao, thời gian thi công dài, gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy, việc tiếp tục nghiên cứu ứng dụng các giải pháp khoa học công nghệ mới, ứng dụng công nghệ đã có ở nước ngoài để bảo vệ mái đê ổn định và bền vững luôn là nhiệm vụ cấp thiết. Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc 1. Thành phần vật liệu Vật liệu dùng cho hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc về cơ bản bao gồm: cốt liệu chính (cát), bột đá, phụ gia (nếu có), chất kết dính (bitum).
Hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc là một dạng vật liệu hỗn hợp với hàm lượng bitum cao (vào khoảng 14- 20% so với tổng khối lượng hỗn hợp), ở nhiệt độ 120oC-170oC hỗn hợp ở trạng thái nhớt lỏng khi thi công để có thể tự chèn lấp đầy vào các khe rỗng giữa các viên đá hộc. Các tính chất của vật liệu hỗn hợp asphalt phụ thuộc vào tỉ lệ và tính chất của các vật liệu thành phần, phụ thuộc vào sự phân bố chất kết dính trong hỗn hợp và mức độ dính kết giữa cốt liệu và bitum. Mỗi thành phần trong hỗn hợp đóng một vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ đến nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ các tính chất cần thiết của vật liệu gia cố bảo vệ mái đê biển. Cốt liệu với chức năng tạo bộ khung chịu lực cho hỗn hợp.
Thành phần kích cỡ hạt cốt liệu phải đảm bảo thoả mãn đường cong cấp phối tiêu chuẩn, được quy định cho mỗi loại hỗn hợp khác nhau với mục đích tạo khung chịu lực bền vững, mà vẫn đảm bảo màng chất dính kết đủ bao bọc và kết dính các hạt cốt liệu. Bitum là một thành phần cơ bản, đồng thời là thành phần tạo nên tính chất tiêu biểu của hỗn hợp asphalt, đó là tính đàn hồi - nhớt ở nhiệt độ thấp và dẻo - chảy ở nhiệt độ cao [15]. Các tính chất của bitum thay đổi hẳn về bản chất khi điều kiện chịu luan an -9- tải trọng thay đổi, làm cho cường độ và độ ổn định của hỗn hợp asphalt cũng thay đổi đáng kể. Trong hỗn hợp asphalt, bitum cùng với bột khoáng tạo nên chất liên kết asphalt.
Bột khoáng không chỉ có chức năng làm đầy các lỗ rỗng trong khung cốt liệu, mà còn là thành phần làm biến đổi tính chất kết dính thuần tuý của bitum trong asphalt. Bột khoáng làm màng nhựa trở nên mỏng, do đó tăng khả năng dính kết. Ngoài ra, bột khoáng còn cải thiện tính chất nhạy cảm với nhiệt độ của bitum, do việc sử dụng bột khoáng làm tăng nhiệt độ hoá mềm của chất dính kết asphalt, mà không làm thay đổi nhiệt độ nứt gãy của nó. Một thành phần nữa trong vật liệu hỗn hợp asphalt cần phải kể đến là phụ gia.
Có nhiều loại phụ gia được nghiên cứu sử dụng để cải thiện tính chất nhất định của vật liệu asphalt, phù hợp với một mục đích sử dụng nhất định. Vai trò, tính chất của vật liệu thành phần. Cốt liệu Ảnh hưởng của cốt liệu đến tính chất và khả năng chịu lực của vật liệu hỗn hợp asphalt là rất lớn. Cốt liệu lý tưởng cho hỗn hợp phải có cấp phối hợp lý, cường độ cao, khả năng chịu lực tốt.
Những tính chất khác bao gồm độ rỗng thấp, bề mặt xù xì, ít bị bám bẩn. Cấp phối, cường độ, độ hao mòn, và hình dạng của cốt liệu là rất quan trọng ảnh hưởng đến sự ổn định của kết cấu. Độ rỗng và đặc trưng bề mặt vật liệu khoáng ảnh hưởng rất lớn đối với mối liên kết giữa bitum và bề mặt vật liệu khoáng. Chất kết dính asphalt hay các sản phẩm của nó phải dính chặt vào cốt liệu và đồng thời phải bao phủ toàn bộ bề mặt cốt liệu.
Nếu cốt liệu có độ rỗng thấp và trơn nhẵn chất kết dính asphalt không thể dính vào cốt liệu. Sự dính bám trở thành một chỉ tiêu rất quan trọng khi hỗn hợp bị đặt trong môi trường nước. Nếu cốt liệu rất dễ thấm ướt, nước sẽ cạnh tranh với bitum để ngấm vào bề mặt cốt liệu và cốt liệu sẽ bị tách ra không dính vào bitum. Hiện tượng này đã được biết và nó được gọi là sự bong, tróc của bitum với vật liệu khoáng [15],[16].
Cát luan an -10- Vai trò của cát trong vật liệu hỗn hợp asphalt là chèn kẽ hở giữa các hạt cốt liệu lớn, làm tăng độ đặc của hỗn hợp. Có thể dùng cát tự nhiên hay cát nhân tạo có các chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp với quy phạm như khi dùng cho bê tông nhựa. Cát tự nhiên để chế tạo vật liệu hỗn hợp asphalt không được lẫn tạp chất hữu cơ. Cát xay phải được nghiền từ đá có cường độ nén không nhỏ hơn cường độ nén của đá dùng để sản xuất ra đá dăm [2].
Bột khoáng Bột khoáng là thành phần quan trọng trong vật liệu hỗn hợp asphalt. Nó không những nhét đầy lỗ rỗng giữa các loại cốt liệu lớn hơn (cát, đá) làm tăng độ đặc của hỗn hợp mà còn làm tăng diện tích tiếp xúc, làm cho màng bitum trên mặt hạt khoáng càng mỏng và như vậy lực tương tác giữa chúng tăng lên, cường độ và độ bền nước của vật liệu hỗn hợp asphalt cũng tăng lên. Ngoài ra đối với vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, nó còn làm cho hỗn hợp đạt được độ lưu động cần thiết, tránh được hiện tượng phân tầng để lấp đầy trong các lỗ rỗng của các viên đá hộc. Khi trộn với bitum trong hỗn hợp, bột khoáng cần tạo nên một lớp hoạt tính, ổn định nước.
Mối quan hệ vật lý, hoá học giữa bề mặt hạt bột khoáng và bitum làm tăng cường độ của vật liệu hỗn hợp asphalt nhưng cũng làm tăng tính giòn của nó.