Luận văn thạc sĩ về cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tô

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật xây dựng công trình giao thông nghiên cứu sử dụng cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Lê Như Chiến
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Mạnh Tuấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Nghiên cứu cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng cho lớp móng đường ô tô
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng

Cốt liệu bê tông tái chế (bê tông tái chế) gia cố xi măng là một giải pháp hiện đại trong xây dựng, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên. Cốt liệu này được sản xuất từ bê tông phế thải, đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí xây dựng. Việc áp dụng cốt liệu bê tông tái chế trong lớp móng đường ô tô không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn cải thiện tính chất cơ lý của hỗn hợp bê tông. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng xi măng để gia cố cốt liệu tái chế có thể cải thiện đáng kể cường độ nén và độ bền kéo của hỗn hợp, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng trong các công trình giao thông.

1.1 Tình hình sử dụng cốt liệu bê tông tái chế trên thế giới

Trên thế giới, bê tông tái chế đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực xây dựng, đặc biệt là trong việc làm lớp móng cho đường ô tô. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng cốt liệu bê tông tái chế có thể thay thế một phần hoặc toàn bộ cốt liệu tự nhiên mà không làm giảm chất lượng công trình. Ví dụ, ở các nước như Mỹ và Canada, tỷ lệ sử dụng bê tông tái chế trong xây dựng đường đã đạt mức cao, góp phần đáng kể vào việc bảo vệ môi trường và giảm thiểu chi phí xây dựng. Điều này cho thấy sự khả thi và hiệu quả của việc áp dụng cốt liệu bê tông tái chế trong xây dựng, đặc biệt là trong bối cảnh tài nguyên thiên nhiên ngày càng khan hiếm.

1.2 Tình hình nghiên cứu cốt liệu bê tông tái chế tại Việt Nam

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu và ứng dụng cốt liệu bê tông tái chế vẫn còn đang ở giai đoạn đầu. Mặc dù có nhiều công trình xây dựng lớn được thực hiện, nhưng việc sử dụng bê tông tái chế trong xây dựng đường ô tô vẫn chưa được phổ biến. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc đánh giá tính khả thi và hiệu quả của cốt liệu bê tông tái chế trong các ứng dụng khác nhau. Việc áp dụng công nghệ bê tông tái chế không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải từ các công trình xây dựng mà còn tạo ra những sản phẩm thân thiện với môi trường, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành xây dựng.

II. Thiết kế cấp phối cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng

Thiết kế cấp phối cho cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng và hiệu quả của lớp móng đường ô tô. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc lựa chọn tỷ lệ các thành phần trong hỗn hợp như xi măng, cốt liệu thô và cốt liệu mịn có ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp. Cấp phối được thiết kế theo phương pháp đầm nén tiêu chuẩn, với các hàm lượng cốt liệu tái chế từ 0% đến 100% để đánh giá sự thay đổi của các chỉ tiêu như cường độ nén, mô đun đàn hồi và độ co ngót. Kết quả cho thấy rằng việc gia cố bằng xi măng không chỉ cải thiện cường độ mà còn giúp tăng tính ổn định của hỗn hợp trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế cấp phối

Trong quá trình thiết kế cấp phối, các yếu tố như kích thước cốt liệu, tỉ lệ nước/xi măng và độ ẩm của hỗn hợp đều có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ lý của cốt liệu bê tông tái chế. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc điều chỉnh tỉ lệ nước/xi măng phù hợp có thể cải thiện đáng kể cường độ nén và độ bền kéo của hỗn hợp. Bên cạnh đó, kích thước cốt liệu cũng cần được xem xét kỹ lưỡng, vì nó ảnh hưởng đến khả năng lèn chặt và sự phân bố lực trong lớp móng. Từ đó, việc tối ưu hóa các yếu tố này sẽ giúp đạt được chất lượng tốt nhất cho lớp móng đường ô tô.

2.2 Kết quả thử nghiệm và đánh giá

Các thử nghiệm được thực hiện trên các mẫu bê tông tái chế gia cố xi măng cho thấy rằng, các mẫu có tỷ lệ cốt liệu tái chế cao hơn thường đạt được cường độ nén tốt hơn so với các mẫu có tỷ lệ cốt liệu tự nhiên. Đặc biệt, các mẫu có 50% cốt liệu tái chế cho thấy sự cải thiện rõ rệt về mô đun đàn hồi và khả năng chịu kéo. Điều này chứng tỏ rằng cốt liệu bê tông tái chế không chỉ có khả năng thay thế cho cốt liệu tự nhiên mà còn có thể mang lại hiệu quả cao trong việc xây dựng các công trình giao thông. Kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của bê tông tái chế trong ngành xây dựng tại Việt Nam.

III. Đánh giá chất lượng cấp phối cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng

Việc đánh giá chất lượng của cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng được thực hiện thông qua nhiều phương pháp thí nghiệm khác nhau. Các chỉ tiêu như cường độ nén, mô đun đàn hồi, độ co ngót và cường độ ép chẻ đều được kiểm tra để xác định khả năng ứng dụng của hỗn hợp trong thực tế. Kết quả cho thấy rằng bê tông tái chế có thể đạt được các tiêu chuẩn kỹ thuật cần thiết cho lớp móng đường ô tô. Đặc biệt, cường độ nén của các mẫu bê tông tái chế gia cố xi măng đạt yêu cầu cao, cho thấy khả năng chịu tải tốt trong quá trình sử dụng.

3.1 Phương pháp thí nghiệm

Các phương pháp thí nghiệm được áp dụng bao gồm thí nghiệm nén, thí nghiệm ép chẻ, và thí nghiệm độ co ngót. Thí nghiệm nén được thực hiện để xác định cường độ nén của mẫu bê tông, trong khi thí nghiệm ép chẻ giúp đánh giá cường độ chịu kéo gián tiếp. Đặc biệt, thí nghiệm độ co ngót được thực hiện để đánh giá sự ổn định của hỗn hợp trong điều kiện môi trường thay đổi. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ cung cấp thông tin quan trọng về khả năng ứng dụng của cốt liệu bê tông tái chế trong xây dựng.

3.2 Phân tích kết quả và ứng dụng thực tiễn

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng các mẫu bê tông tái chế gia cố xi măng có cường độ nén cao hơn so với các mẫu bê tông thông thường. Điều này cho thấy rằng việc sử dụng bê tông tái chế không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao chất lượng công trình. Hơn nữa, việc áp dụng cốt liệu bê tông tái chế trong lớp móng đường ô tô sẽ giúp giảm thiểu lượng chất thải xây dựng và bảo vệ môi trường. Sự thành công của nghiên cứu này có thể mở ra hướng đi mới cho ngành xây dựng tại Việt Nam, hướng tới sự phát triển bền vững và hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Là nước đang phát triển nên nước ta cần một lượng lớn vật liệu cho ngành xây dựng như nhà cao tầng, cầu, cống, thủy lợi, giao thông. Vật liệu BTXM được dùng thông dụng. Thành phần chính của hỗn hợp BTXM bao gồm đá dăm/sỏi, cát, xi măng, nước.

Điều này cho thấy các thành phần tạo nên hỗn hợp BTXM hoàn toàn có nguồn gốc từ tự nhiên. Việc sử dụng quá nhiều BTXM để xây dựng là nguyên nhân dẫn đến nguồn cốt liệu tự nhiên bị kiệt quệ, quá trình khai thác chế tạo gây ô nhiễm nghiêm trọng, làm thay đổi cảnh quan tự nhiên, tác động xấu đến sức khỏe con người. Cùng với việc xây dựng thì hàng năm những công trình xuống cấp, hết hạn sử dụng cũng rất là nhiều, việc tháo dỡ thải ra một lượng bê tông phế thải rất lớn, ở Trung Quốc năm 2014 lượng chất thải xây dựng (C&D) là 1130 triệu tấn nhưng đến năm 2015 đã là 2500 triệu tấn , Mỹ 534 triệu tấn C&D năm 2014 và 569 triệu tấn C&D năm 2017 [1], Ấn Độ 530 triệu tấn C&D năm 2013 và 750 triệu tấn C&D năm 2015 [2] , Việt Nam 5,3 triệu tấn năm 2014 và 6,3 triệu tấn năm 2020 vv. Điều này cho chúng ta thấy chất thải xây dựng tăng đều theo từng năm trên thế giới.

Vấn đề là chúng ta xử lý lượng bê tông phế thải từ các công trình phá dỡ như thế nào cho hiệu quả tiết kiệm. Về cơ bản có hai hướng: Thứ nhất là thu gom và chôn lấp; thứ hai là phân loại, sàng lọc và tái chế sử dụng cho ứng dụng khác. Như chúng ta thấy việc vận chuyển thu gom rồi chôn lắp làm ảnh hưởng xấu đến môi trường, thu hẹp quỹ đất, khó khăn trong quy hoạch không gian. Trong khi đó việc tiếp cận hướng thứ hai cho thấy lợi ích lâu dài về kinh tế và môi trường.

Ở các nước tiên tiến việc tái sử dụng bê tông phế thải đã rất phổ biến, họ tối ưu hóa vật liệu xây dựng, chẳng hạn ở Mỹ tái chế lên tới 70%, ở Hàn Quốc 98%, ở Pháp 86% vv.[4] Ở nước ta hiện nay bê tông phế thải chưa có nhiều nghiên cứu và ứng dụng, đa số bê tông phế thải cũng như phế thải xây dựng đều được chôn ở các bãi tập chung. Tốc độ xây dựng ở nước ta đang diễn ra nhanh chóng dẫn tới nguồn vật liệu tự nhiên bị thiếu, đặc biệt là cát, chúng ta phải nhập từ các nước bạn, như Campuchia, 2 Lào vv…Do đó nguồn vật liệu khác để thay thế là cần thiết, chẳng hạn như vật liệu phế thải từ các công trình phá dỡ. Do đó cần thiết phải áp dụng bê tông tái chế vào trong công trình xây dựng nói chung hay công trình giao thông vận tải nói riêng. Trên cơ sở này, đề tài được hình thành với định hướng sử dụng cốt liệu bê tông tái chế làm lớp móng đường ô tô.

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Mục đích của đề tài đó là xác định được cấp phối hợp lý cốt liệu bê tông tái chế (Recycled Conrete Aggregate - RCA) để thay thế cho cấp phối đá dăm (CPĐD) trong hỗn hợp CPĐDGCXM dùng cho lớp móng đường ô tô ở Việt Nam. Cấp phối sử dụng ở đây theo dạng cấp phối chặt và liên tục, và được trộn với xi măng theo tỷ lệ nhất định với độ ẩm tốt nhất. Đề tài còn đưa ra các yêu cầu chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu bê tông tái chế gia cố xi măng, tận dụng hiệu quả bê tông phế thải cho lớp móng đường ô tô tại Việt Nam. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng Dmax 31,5mm dùng cho lớp móng trên đường ô tô được tập trung nghiên cứu.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm nghiên cứu tổng quan, thiết kế cấp phối hạt cốt liệu bê tông tái chế Dmax 31,5mm, và nghiên cứu thực nghiệm so sánh với đánh giá chất lượng của cốt liệu BTTCGCXM với CPĐDGCXM thông thường hiện hành. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Ý nghĩa khoa học: Phương pháp nghiên cứu về lý thuyết các tính chất kỹ thuật của vật liệu bê tông tái chế gia cố xi măng. Ý nghĩa thực tiễn: Xác lập các yêu cầu kỹ thuật đặc trưng của thành phần hỗn hợp cho vật liệu BTTCGCXM cho lớp móng đường ô tô; Đánh giá và so sánh cấp phối BTTCGCXM với CPĐDGCXM hiện hành. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Luận văn bao gồm 5 chương như sau: 1.

Chương 1: Mở đầu; 2. Chương 2: Tổng quan; 3. Chương 3: Thiết kế cấp phối cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng; 4. Chương 4: Đánh giá chất lượng cấp phối cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng qua các thí nghiệm; 5.

Chương 5: Kết luận, kiến nghị Nội dung thực hiện như sau: Nghiên cứu sử dụng cốt liệu BTTCGCXM cho lớp móng đường ô tô NHIỆM VỤ 1 Tổng quan (BTTCGCXM) trên thế giới và Việt Nam NHIỆM VỤ 2 Thiết kế cấp phối cốt liệu bê tông tái chế gia cố 5% và 7% xi măng với hàm lượng bê tông tái chế 0%, 25%, 50%, 75% và 100% NHIỆM VỤ 3 So sánh, đánh giá chất lượng của hỗn hợp RCA gia cố xi măng với CPĐDGCXM thông thường qua các thí nghiệm trong phòng như thí nghiệm xác định cường độ nén, ép chẻ (cường độ chịu kéo gián tiếp), mô đun đàn hồi vật liệu và co ngót. CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG – YÊU CẦU VẬT LIỆU CHẾ TẠO 2. Khái niệm CPĐDGCXM là một hỗn hợp bao gồm: Đá dăm có các thành phần hạt được sắp xếp theo cỡ hạt tiêu chuẩn phối trộn với xi măng theo tỷ lệ và lượng nước tối ưu sau đó lu lèn để tạo độ chặt, công tác lu lèn được thực hiện trước khi xi măng ninh kết. Quá trình đó được gọi là CPĐDGCXM.

Trong đó: Cốt liệu lớn đá dăm là thành phần chịu lực chính. Làm cho móng đường chịu được tải trọng từ trên chuyền xuống, tạo độ dính bám với lớp nền phía dưới và lớp kết cấu áo đường phía trên; Xi măng: Là chất kết dính các hạt trong cấp phối đồng thời tạo cường độ cho lớp móng đường khi được cung cấp độ ẩm tốt nhất; Như vậy ta có thể thấy cường độ của CPĐDGCXM được hình thành trên nguyên lý lèn chặt hỗn hợp vật liệu với xi măng ở một độ ẩm tối ưu. Yêu cầu của vật liệu CPĐDGCXM 2. Cỡ hạt Bảng 2.

1: Yêu cầu thành phần hạt [5] Kích thước lỗ sàng % lọt sàng vuông, mm Dmax = 37,5 Dmax = 31,5 50,0 100 37,5 95-100 100 31,5 - 95-100 25,0 - 79-90 19,0 58-78 67-83 9,5 39-59 49-64 5 4,75 24-39 34-54 2,63 15-30 25-40 0,425 7-19 12-24 0,075 2-12 2-12 Chỉ tiêu mài mòn Ló Angeles của vật liệu CPĐD lớp móng trên thì không lớn hơn 35%, lớp móng dưới thì không lớn hơn 45%. CPĐD có hàm lượng hữu cơ không lớn hơn 2%, muối Sunfat nhỏ hơn 0,25%, chỉ số dẻo nhỏ hơn 6% và tỷ lệ thoi dẹt nhỏ hơn18%. Xi măng Bảng 2. 2: Yêu cầu với xi măng [5] Chỉ tiêu PCB40 1.

CĐN, (MPa):[6] 4320 phút ± 45 phút ≥18 670 giờ ± 8 giờ ≥40 2. Thời gian đông kết, phút:[7] Bắt đầu ≥45 Kết thúc ≤420 3. Độ nghiền mịn:[8] Trên sàng 0,08mm, % ≤10 PP Btaine, cm2/g ≥2800 4. Độ ổn định thể tích , xác định theo PP La ≤10 Chatelier, mm:[7] 5.

Hàm lượng SO3, %:[9] ≤3,5 6 6. Độ nở autoclve, %: [10] ≤0,8 Hàm lượng xi măng dùng tối thiểu 3% tổng khối lượng hỗn hợp thô, lượng xi măng tối đa thông thường dùng không quá 6%; Khi sử dụng thực tế xi măng thường hao hụt so với thiết kế nên khi ra ngoài thực tế phải lấy hơn lượng xi măng thiết kế 0,2%; TGNK của xi măng tối thiểu 120 phút, có thể sử dụng phụ gia kéo dài thời gian ninh kết. 3: Yêu cầu của nước [5] Muối hòa tan, mg/l [11] ≤ 2000 Ion sunfat, mg/l [12] ≤ 600 Ion clo, mg/l [13] ≤ 350 Cặn không tan, mg/l [11] ≤ 200 2. TỔNG QUAN BÊ TÔNG TÁI CHẾ GIA CỐ XI MĂNG 2.

Khái niệm về BTTCGCXM Về cơ bản khái niệm BTTCGCXM cũng giống như CPĐDGCXM là một hỗn hợp vật liệu bao gồm: Cốt liệu BTTC có cấp phối hạt liên tục phối trộn với xi măng theo tỷ lệ và lượng nước tối ưu, sau đó lu lèn chặt [5]. Nhưng ở đây hàm lượng vật liệu theo khối lượng cấu thành hỗn bê tông tái chế gia cố xi măng sẽ thay đổi. Tình hình sử dụng hỗn hợp BTTCGCXM trên thế giới và trong nước 2. Cốt liệu bê tông tái chế đã qua xử lý xi măng làm lớp nền và nền dưới ở Ai cập Theo nghiên cứu của Ahmed Ebrahim Abu El-Maaty Behiry Đại học Menoufia Ai Cập [14].

4: Cấp phối theo tiêu chuẩn Ai Cập [5] Kích thước Phần trăm lọt sàng (%) 7 sàng A B C D E F (mm) 2 in.075) 2–8 5–20 5–15 10–25 6–20 6–25 Đá vôi Phần trăm lọt sàng (%) Cận dưới Cận trên Hình 2. 1: Biểu đồ đường cong CPBTTC [14]. RCA được tác giả trộn với đá vôi truyền thống (LSA) với tỷ lệ 0,0%, 25%, 50%, 75%, 100% RCA. Các thí nghiệm đã được kiểm tra như đầm nén, CBR, tấm ép cứng, nén không giới hạn, độ bền kéo.

5:Kết quả đầm nén chưa xử lý xi măng [5] Tên hỗn hợp Vật liệu Wo (OMC) (%) γkmax(MDD)(t/m3) Trộn RA0 LSA100% 11,0 1,984 Trộn RA25 LSA75%+RCA25% 9,5 1,900 Trộn RA50 LSA50%+RCA50% 10,6 1,820 Trộn RA75 LSA25%+RCA75% 12,3 1,780 Trộn RA100 RCA100% 14,7 1,740 9 Không ngâm Ngâm 4 ngày Hỗn hợp Hỗn hợp Hỗn hợp Hỗn hợp Hỗn hợp RA0 RA25 RA50 RA75 RA100 Hình 2. 2: Kết quả CBR đối với hỗn hợp trộn [2]. 6: Kết quả thí nghiệm tấm ép cứng [5] Chỉ số biến dạng Modun đàn hồi Mr Tên hỗn hợp Sự biến dạng (mm) dẻo Pdr (%) (MPa) Trộn RA0 1,12 74,0 34,5 Trộn RA25 1,08 66,5 39,3 Trộn RA50 0,92 53,7 43,5 Trộn RA75 0,82 48,3 49,5 Trộn RA100 0,88 45,5 46,8 Cường độ nén không giới hạn UCS (Uniaxial Compressive Strength) phụ thuộc vào hàm lượng xi măng, mật độ hỗn hợp khô, độ ẩm, cốt liệu mịn, thời gian đóng rắn. 10 Hàm lượng xi măng (%) Hình 2.

3: Sự ảnh hưởng của xi măng đến cường độ nén [2]. 7: Mối quan hệ giữa độ ẩm và tỷ trọng khô với hỗn hợp đã qua xử lý xi măng [14] Khối lượng UCS 3 UCS 7 UCS 28 Tên hỗn hợp riêng ngày(N/mm2) ngày(N/mm2) ngày(N/mm2) 10 (kg/cm3) 3 Trộn RA0 2,43 1,57 1,968 3,138 Trộn RA25 2,32 2,46 2,46 3,32 Trộn RA50 2,21 3,18 3,54 3,94 Trộn RA75 2,08 3,40 3,65 4,12 Trộn RA100 1,98 2,29 2,576 3,81 11 Khối lượng thể tích khô (t/m3) Hình 2.