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

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
• 1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• 1.5. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG – YÊU CẦU VẬT LIỆU CHẾ TẠO
• 2.1.1. Yêu cầu của vật liệu CPĐDGCXM
• 2.2. TỔNG QUAN BÊ TÔNG TÁI CHẾ GIA CỐ XI MĂNG
• 2.2.1. Khái niệm về BTTCGCXM
• 2.2.2. Tình hình sử dụng hỗn hợp BTTCGCXM trên thế giới và trong nước
• 2.2.2.1. Cốt liệu bê tông tái chế đã qua xử lý xi măng làm lớp nền và nền dưới ở Ai cập
• 2.2.2.2. Nghiên cứu tính khả thi của BTTC cho mặt đường BTXM ở Canada (2009) [15]
• 2.2.2.3. Sử dụng bê tông tái chế và gạch đất sét nghiền làm nền đường không gắn kết [23]
• 2.2.2.4. Các đặc tính cấp cao của RCA và ứng dụng của chúng trong xây dựng mặt đường bê tông, Bỉ (2019) [24]
• 2.2.2.5. Chất kết dính xỉ kiềm xi măng trong hỗn hợp BTCLTC ứng xử cơ học của nó (Tập 11 số 5 tháng 09 năm 2017, Tạp chí KHCNXD)[25]
• 2.2.2.6. Cốt liệu tái chế từ công trình phá dở và sự ảnh hưởng của nó đến tông rỗng thoát nước (Tạp chí KHCNXD,2021) [26]
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤP PHỐI CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ GIA CỐ XI MĂNG
• 3.1. ĐƯỜNG CẤP PHỐI THIẾT KẾ
• 3.2. LỰA CHỌN CỐT LIỆU
• 3.2.1. Cốt liệu đá cấp phối từ mỏ đá tự nhiên
• 3.3. THIẾT KẾ CẤP PHỐI
• 3.3.1. Thiết kế cấp phối bằng phương pháp đầm nén tiêu chuẩn
• 3.3.2. Trình tự gia công mẫu
• 3.3.3. Thí nghiệm hỗn hợp cấp phối CLBTTC
• 3.3.4. Chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu
• 3.3.5. Chuẩn bị cốt liệu để đúc mẫu thí nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CẤP PHỐI CỐT LIỆU BÊ TÔNG TÁI CHẾ GIA CỐ XI MĂNG THÔNG QUA CÁC THÍ NGHIỆM
• 4.1. THÍ NGHIỆM NÉN
• 4.1.1. Thiết bị thí nghiệm
• 4.1.2. Chuẩn bị mẫu thử
• 4.1.3. Tiến hành thử
• 4.2. THÍ NGHIỆM ÉP CHẺ [31]
• 4.2.1. Thiết bị thí nghiệm
• 4.2.2. Chuẩn bị mẫu thử
• 4.2.3. Tiến hành thí nghiệm
• 4.3. THÍ NGHIỆM MÔ ĐUN ĐÀN HỒI [32]
• 4.3.1. Thiết bị thí nghiệm
• 4.3.2. Chuẩn bị mẫu thử
• 4.3.3. Tiến hành thí nghiệm
• 4.4. THÍ NGHIỆM CO NGÓT [33]
• 4.4.1. Thiết bị thí nghiệm
• 4.4.2. Chuẩn bị mẫu thử
• 4.4.3. Tiến hành thí nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• KẾT QUẢ KIỂM TRA ĐẠO VĂN

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các công trình hạ tầng đô thị khiến nguồn tài nguyên khoáng sản tự nhiên phục vụ xây dựng ngày càng cạn kiệt, trong khi khối lượng chất thải rắn xây dựng và phá dỡ (C&D) lại tăng vọt. Theo thống kê, lượng chất thải phá dỡ tại Hoa Kỳ đạt 569 triệu tấn vào năm 2017, tại Trung Quốc vượt mốc 2.500 triệu tấn năm 2015, và tại Việt Nam ước tính đạt khoảng 6,3 triệu tấn vào năm 2020. Trong khi các quốc gia phát triển như Hàn Quốc đạt tỷ lệ tái chế 98%, Pháp đạt 86% và Hoa Kỳ đạt 70%, thì phần lớn bê tông phế thải tại Việt Nam vẫn bị chôn lấp, gây lãng phí quỹ đất và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.

Vấn đề cốt lõi của nghiên cứu là giải quyết bài toán thiếu hụt vật liệu cấp phối đá dăm tự nhiên cho kết cấu áo đường ô tô thông qua việc tận dụng nguồn cốt liệu bê tông tái chế (Recycled Concrete Aggregate - RCA). Mục tiêu cụ thể của luận văn là thiết kế cấp phối chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định $D_{max} = 31,5\text{ mm}$ sử dụng cốt liệu bê tông tái chế với các tỷ lệ thay thế 0%, 25%, 50%, 75% và 100%, kết hợp gia cố bằng xi măng ở hàm lượng 5% và 7%. Nghiên cứu đánh giá toàn diện các chỉ tiêu cơ lý và cơ học then chốt gồm cường độ nén không hạn chế nở hông, cường độ ép chẻ, mô đun đàn hồi và độ co ngót theo thời gian.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại phòng thí nghiệm chuyên ngành thuộc Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 09/2022 đến tháng 08/2023. Kết quả của đề tài đóng góp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác, hỗ trợ giảm thiểu khoảng 30% đến 50% lượng đá dăm nguyên sinh khai thác từ mỏ tự nhiên, đồng thời mở ra hướng đi bền vững cho kinh tế tuần hoàn trong ngành giao thông vận tải Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết đầm nén vật liệu hạt rời và cơ chế thủy hóa của chất kết dính vô cơ. Khi hỗn hợp cốt liệu được phối trộn theo đường cong cấp phối chặt liên tục và lu lèn ở độ ẩm tối ưu, các hạt cốt liệu chèn móc vào nhau tạo thành khung chịu lực cơ bản. Sự kết hợp của xi măng tạo ra gel Calcium Silicate Hydrate (C-S-H) liên kết các hạt khoáng, giúp lớp móng đường chuyển từ trạng thái bán cứng sang trạng thái cứng chịu lực cao theo tiêu chuẩn TCVN 8859:2011 và TCVN 8858:2011.

Luận văn vận dụng mô hình cấu trúc vi mô vùng chuyển tiếp tiếp xúc (Interfacial Transition Zone - ITZ) đối với cốt liệu bê tông tái chế. Khác với đá dăm tự nhiên, bề mặt hạt RCA luôn bọc một lớp vữa xi măng cũ có độ xốp cao, làm tăng độ hút nước và giảm khối lượng thể tích khô của hỗn hợp.

Các khái niệm chuyên ngành nền tảng được định nghĩa và chuẩn hóa bao gồm:

• Cốt liệu bê tông tái chế (RCA): Sản phẩm thu được từ quá trình nghiền, sàng lọc bê tông phế thải từ các công trình xây dựng đã tháo dỡ.
• Bê tông tái chế gia cố xi măng (BTTCGCXM): Hỗn hợp cấp phối chặt gồm RCA, cốt liệu đá tự nhiên, xi măng và nước ở tỷ lệ tối ưu.
• Khối lượng thể tích khô lớn nhất ($\gamma_{k\max}$) và Độ ẩm tối ưu ($W_o$): Các thông số đầm nén tiêu chuẩn xác định mật độ sắp xếp chặt nhất của khung cốt liệu.
• Cường độ nén không giới hạn (UCS) và Cường độ ép chẻ (ITS): Các chỉ tiêu đặc trưng cho khả năng chịu nén và chịu kéo khi uốn của kết cấu móng áo đường.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ nguồn vật liệu đá tự nhiên lấy tại mỏ đá Thuận Lập (tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu) với nguồn gốc đá magma granit, kết hợp nguồn bê tông phế thải được đập nghiền và sàng lọc thành cốt liệu thô (hạt trên sàng 4,75 mm đến 31,5 mm) và cốt liệu mịn (hạt lọt sàng 4,75 mm). Chất kết dính sử dụng là xi măng Nghi Sơn PCB40 đạt chuẩn cường độ nén 28 ngày $\ge 40\text{ MPa}$ và nước thủy cục sinh hoạt có hàm lượng muối hòa tan dưới 2.000 mg/l.

Phương pháp chọn mẫu tuân thủ kỹ thuật lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo tiêu chuẩn ASTM và AASHTO M 147-17. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 5 tổ hợp tỷ lệ RCA (0%, 25%, 50%, 75%, 100%) tương ứng với 2 mức hàm lượng xi măng (5% và 7%). Mỗi tổ hợp đúc tối thiểu 3 đến 6 mẫu lặp lại cho từng phép thử nhằm đảm bảo độ tin cậy thống kê:

• Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn xác định quan hệ độ ẩm - dung trọng khô.
• Mẫu trụ đường kính 150 mm, chiều cao 150 mm dùng cho thí nghiệm nén dọc trục và thí nghiệm ép chẻ ở các mốc 7 ngày và 28 ngày bảo dưỡng.
• Mẫu dầm lăng trụ kích thước 100x100x400 mm dùng cho thí nghiệm đo biến dạng co ngót theo chu kỳ từ 1 đến 28 ngày.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích cơ học phá hủy và đo biến dạng trực tiếp vì đây là các phương pháp chuẩn mực quốc tế, phản ánh chính xác trạng thái ứng suất - biến dạng thực tế của lớp móng đường dưới tác dụng của tải trọng trục xe chạy lặp lại. Tiến độ nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt trong 11 tháng, từ giai đoạn thiết kế thành phần hạt đến kiểm chuẩn cơ lý hoàn tất vào tháng 08/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thí nghiệm trong phòng đã mang lại 4 kết quả then chốt về đặc tính cơ lý của hỗn hợp vật liệu:

1. Đặc tính đầm nén và độ ẩm tối ưu: Khi hàm lượng RCA tăng từ 0% lên 100%, độ ẩm tối ưu ($W_o$) tăng từ 9,5% lên 14,7%, trong khi khối lượng thể tích khô lớn nhất giảm khoảng 12,3% (từ 1,984 t/m³ xuống 1,740 t/m³). Nguyên nhân chính là do lớp vữa xi măng cũ bám dính trên bề mặt RCA có tỷ trọng thấp và độ hút nước cao hơn đáng kể so với đá dăm tự nhiên.
2. Cường độ nén không giới hạn (UCS): Ở hàm lượng 5% xi măng, cường độ nén 28 ngày của hỗn hợp chứa 25% RCA đạt 3,32 MPa và mẫu chứa 50% RCA đạt 3,94 MPa, cao hơn so với mẫu đối chứng 0% RCA (đạt 3,138 MPa). Tại hàm lượng 7% xi măng, mẫu chứa 75% RCA đạt giá trị cực đại 4,12 MPa ở 28 ngày tuổi. Cường độ nén phát triển mạnh nhất trong khoảng từ 7 đến 28 ngày bảo dưỡng ẩm.
3. Cường độ ép chẻ (ITS) và mô đun đàn hồi ($M_r$): Cường độ kéo gián tiếp ở 28 ngày duy trì ổn định trong khoảng 0,322 MPa đến 0,420 MPa. Tỷ lệ giữa cường độ uốn và cường độ nén (FS/UCS) dao động từ 10,0% đến 15,0%. Mô đun đàn hồi của hỗn hợp chứa 50% và 75% RCA đạt giá trị từ 43,5 MPa đến 49,5 MPa, cao hơn 26% đến 43% so với mẫu đá dăm tự nhiên không gia cố.
4. Ứng xử co ngót theo thời gian: Hỗn hợp có hàm lượng RCA cao (75% - 100%) ghi nhận độ co ngót lớn hơn hỗn hợp thông thường từ 15% đến 22% sau 28 ngày theo dõi. Tuy nhiên, mức độ co ngót hoàn toàn nằm trong ngưỡng kiểm soát cho phép đối với lớp móng bán cứng của áo đường ô tô.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng cường độ nén ở các cấp phối chứa 25% đến 50% RCA bắt nguồn từ hai cơ chế tương hỗ: góc ma sát trong lớn của cốt liệu bê tông nghiền góc cạnh và sự tái thủy hóa của một phần xi măng chưa thủy hóa hết trong vữa cũ khi được cung cấp đủ độ ẩm và chất kết dính mới. Tuy nhiên, khi hàm lượng RCA vượt quá 75%, sự suy giảm chất lượng của khung cốt liệu và độ xốp lớn khiến cường độ nén và mô đun đàn hồi có xu hướng chững lại hoặc suy giảm nhẹ nếu không tăng hàm lượng xi măng lên mức 7%.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế tại Canada và Ai Cập, kết quả thực nghiệm tại Việt Nam cho thấy sự tương đồng cao về quy luật phát triển cường độ. Hỗn hợp RCA gia cố xi măng đạt yêu cầu kỹ thuật làm lớp móng trên (Base) và móng dưới (Sub-base) theo quy định của tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô hiện hành.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua hai dạng biểu đồ chuyên dụng:

• Biểu đồ phân tán (Scatter Plot) kết hợp đường hồi quy bậc hai thể hiện quan hệ tương quan giữa độ ẩm và dung trọng khô, giúp xác định tọa độ đỉnh đầm nén cho từng tỷ lệ phối trộn.
• Biểu đồ cột nhóm (Grouped Bar Chart) so sánh động thái phát triển cường độ nén UCS tại các mốc 3 ngày, 7 ngày và 28 ngày của 5 nhóm mẫu vật liệu, làm nổi bật hiệu quả vượt trội của tỷ lệ thay thế 50% RCA kết hợp 5% - 7% xi măng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm, 4 giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm ứng dụng hiệu quả vật liệu cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng trong thực tiễn xây dựng hạ tầng:

1. Ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật và định mức thi công cấp phối BTTCGCXM: Bộ Giao thông Vận tải phối hợp cùng Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải hoàn thiện hướng dẫn thiết kế cấp phối móng đường sử dụng tỷ lệ thay thế 25% - 50% RCA cho hệ thống đường cấp II đến cấp IV, mục tiêu ban hành tiêu chuẩn cơ sở trong giai đoạn 2024-2025.
2. Kiểm soát chặt chẽ độ ẩm và quy trình đầm nén tại hiện trường: Các nhà thầu thi công và đơn vị tư vấn giám sát cần duy trì độ ẩm trộn thực tế cao hơn độ ẩm tối ưu từ 1,0% đến 1,5% để bù trừ lượng nước hấp thụ của vữa xi măng cũ, đảm bảo công tác lu lèn hoàn tất trước thời gian bắt đầu đông kết của xi măng (khoảng 120 phút), áp dụng ngay trong các dự án năm 2024.
3. Nâng cấp dây chuyền công nghệ nghiền sàng và phân loại phế thải xây dựng: Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu và xử lý chất thải đầu tư hệ thống máy nghiền hàm kết hợp sàng tuyển từ tính, mục tiêu loại bỏ trên 95% tạp chất hữu cơ và kiểm soát chỉ số mài mòn Los Angeles dưới 35% đối với cốt liệu thô tái chế đến năm 2026.
4. Triển khai các đoạn đường thử nghiệm thực tế (Trial Sections): Sở Giao thông Vận tải các tỉnh phía Nam phối hợp với các trường đại học triển khai thi công 3 đến 5 km đường thử nghiệm lớp móng BTTCGCXM trong giai đoạn 2024-2026 nhằm quan trắc độ võng đàn hồi mặt đường, nứt phản ảnh và độ bền khai thác dưới tác động của thời tiết nhiệt đới ẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị ứng dụng và học thuật sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

1. Kỹ sư thiết kế và chuyên gia tư vấn công trình giao thông: Cung cấp thông số đầu vào chuẩn xác về mô đun đàn hồi (từ 39,3 MPa đến 49,5 MPa), cường độ chịu kéo khi uốn và hệ số co ngót để tính toán chiều dày kết cấu áo đường mềm và bán cứng tối ưu chi phí.
2. Nhà thầu xây dựng và ban quản lý dự án hạ tầng: Nắm bắt quy trình kỹ thuật chế bị mẫu, tỷ lệ cấp phối tối ưu (50% RCA + 5% xi măng Nghi Sơn PCB40) và biện pháp kiểm soát độ ẩm khi lu lèn mặt bằng thực tế.
3. Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách môi trường: Có thêm luận cứ khoa học vững chắc để xây dựng cơ chế khuyến khích tái chế chất thải rắn, định hướng phát triển hạ tầng giao thông xanh và thúc đẩy giảm phát thải carbon ngành xây dựng.
4. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Công trình Giao thông: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên khảo về phương pháp thí nghiệm cơ học vật liệu tái chế, đồng thời mở rộng các hướng nghiên cứu kết hợp phụ gia khoáng hoặc chất kích hoạt kiềm xỉ.

Câu hỏi thường gặp

Cốt liệu bê tông tái chế có làm giảm khả năng chịu lực của móng đường không?

Không, nếu được thiết kế cấp phối hợp lý và gia cố xi măng đúng tiêu chuẩn. Kết quả nghiên cứu chứng minh khi thay thế 25% đến 50% RCA kết hợp 5% xi măng, cường độ nén 28 ngày đạt từ 3,32 MPa đến 3,94 MPa, hoàn toàn đáp ứng và vượt yêu cầu kỹ thuật của lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng truyền thống theo tiêu chuẩn TCVN 8859:2011.

Tỷ lệ thay thế cốt liệu tự nhiên bằng RCA bao nhiêu là tối ưu nhất?

Tỷ lệ thay thế tối ưu nhất là từ 25% đến 50% RCA. Ở dải tỷ lệ này, hỗn hợp vừa tận dụng được tối đa nguồn phế thải xây dựng, vừa duy trì mô đun đàn hồi cao (đạt 43,5 MPa), độ co ngót thấp và đảm bảo độ dính bám bền chặt giữa cốt liệu và ma trận vữa xi măng mới.

Tại sao hỗn hợp sử dụng RCA lại cần nhiều nước hơn khi đầm nén?

Do cấu trúc xốp và độ rỗng cao của lớp vữa xi măng cũ bám quanh hạt đá cốt liệu tái chế. Thực nghiệm cho thấy độ ẩm tối ưu tăng từ 9,5% (ở mẫu 25% RCA) lên 14,7% (ở mẫu 100% RCA). Việc bù đủ lượng nước hấp thụ là bắt buộc để xi măng mới thủy hóa hoàn toàn và đạt độ chặt tối đa.

Hiện tượng nứt do co ngót của móng đường BTTCGCXM được xử lý ra sao?

Độ co ngót của hỗn hợp gia cố xi măng tăng nhẹ khi tăng hàm lượng RCA và lượng xi măng lên 7%. Trong thực tế, kỹ sư cần kiểm soát lượng xi măng không vượt quá 5% - 6%, kết hợp bảo dưỡng ẩm nghiêm ngặt liên tục tối thiểu 7 ngày và bố trí lớp bê tông nhựa asphalt phía trên có chiều dày phù hợp để triệt tiêu nứt phản ánh.

Việc ứng dụng BTTCGCXM mang lại lợi ích kinh tế như thế nào?

Sử dụng BTTCGCXM giúp giảm 30% đến 50% chi phí mua cốt liệu đá dăm tự nhiên, cắt giảm cự ly vận chuyển vật liệu từ các mỏ đá xa đô thị và tiết kiệm chi phí chôn lấp chất thải phá dỡ (khoảng 50.000 đến 100.000 VNĐ/tấn phế thải), tạo hiệu quả kinh tế kép cho chủ đầu tư và xã hội.

Kết luận

• Luận văn đã xác lập thành công cơ sở khoa học và quy trình thiết kế cấp phối chặt cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng $D_{max} = 31,5\text{ mm}$ phục vụ lớp móng đường ô tô.
• Khẳng định tỷ lệ thay thế 25% - 50% RCA kết hợp 5% xi măng Nghi Sơn PCB40 đem lại các chỉ tiêu cơ lý tối ưu với cường độ nén 28 ngày đạt trên 3,32 MPa và mô đun đàn hồi vượt 43,5 MPa.
• Làm sáng tỏ quy luật gia tăng độ ẩm tối ưu ($W_o$ từ 9,5% đến 14,7%) và biến dạng co ngót khi tăng tỷ lệ RCA, cung cấp chỉ dẫn kỹ thuật quan trọng cho công tác thi công hiện trường.
• Đề xuất lộ trình thử nghiệm thực tế 3-5 km đường giao thông nông thôn và đô thị trong giai đoạn 2024-2026 trước khi nhân rộng trên quy mô toàn quốc.
• Đóng góp giải pháp công nghệ then chốt giúp xử lý hiệu quả 6,3 triệu tấn phế thải xây dựng mỗi năm, thúc đẩy phát triển giao thông bền vững và kinh tế tuần hoàn tại Việt Nam.

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.