Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về thành phần hóa lý của xi măng, yêu cầu về vật liệu cho BTXM dùng trong mặt đường ô tô. Tìm hiểu thêm về tính bền vững của BTXM và các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của mặt đường BTXM. Chương 2: Tổng hợp và so sánh sơ bộ các phương pháp thiết kế thành phần cấp phối bê tông của Việt Nam và một số nước trên thế giới nhằm đánh giá bao quát về việc lựa chọn cấp phối hợp lý theo nhiều quan điểm. So sánh về thực nghiệm hai phương pháp thiết kế thành phần cấp phối BTXM của Việt Nam và 16 Anh sẽ được đưa ra nhằm tìm hiểu đặc điểm của từng phương pháp và vận dụng để lựa chọn cấp phối bê tông xi măng phù hợp với mặt đường ô tô.
Chương 3: Xác định các chỉ tiêu cơ lý của các bê tông để đánh giá sự phù hợp với yêu cầu của mặt đường ô tô. Một số kết quả thực nghiệm sẽ cung cấp số liệu đầu vào cho việc mô hình hóa trên máy tính trong chương 4, giúp cho việc xác định hệ số thấm nước nội tại của bê tông trong một số trường hợp. Thí nghiệm độ rỗng hở và khả năng thấm nước của bê tông sẽ cho thấy đặc trưng về độ rỗng của bê tông xi măng mặt đường ô tô sử dụng cấp phối thông thường. Chương 4: Thông qua phân tích cơ chế truyền ẩm trong bê tông, tổng hợp kết quả nghiên cứu đã có trên thế giới để ứng dụng giải bài toán truyền ẩm trong bê tông và xác định hệ số thấm nước nội tại.
Đây là hệ số tổng hợp đánh giá khả năng lan truyền khí và nước trong bê tông, giúp phân biệt đặc trưng môi trường rỗng của các loại bê tông khác nhau và cho phép kết hợp với các nghiên cứu khác để hướng tới đánh giá toàn diện tính bền vững và tuổi thọ của mặt đường BTXM chịu tác động của các nhân tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và các chất có hại. Chương 5: Kết luận. Thông qua nội dung nghiên cứu ở các chương trước, học viên rút ra các kết luận quan trọng đạt được, những vấn đề tồn tại chưa được làm rõ, và những dự định nghiên cứu tiếp theo có thể tiếp tục phát triển của luận văn. Nghiên cứu tổng quan I.1 Tổng quan về vật liệu xi măng I.1 Nguồn gốc của xi măng Bê tông làm từ hỗn hợp vôi và pozzolan được sử dụng lần đầu tiên bởi người Macedonia cổ đại.
Ba thế kỷ sau, các kỹ sư La Mã đã sử dụng rộng rãi bê tông này với sự kết hợp cả hai loại pozzolan tự nhiên (tro núi lửa) và nhân tạo (đất, gốm) để xây dựng các công trình kiến trúc đồ sộ như mái vòm Đền thờ La Mã (Pantheon in Rome) …điều đặc biệt là các công trình này vẫn tồn tại cho đến ngày nay. Các loại xi măng hiện đại bắt đầu được phát triển mạnh từ cuộc cách mạng công nghiệp (khoảng năm 1800) xuất phát từ nhu cầu vữa xi măng để hoàn thiện các tòa nhà gạch ở vùng khí hậu ẩm ướt : bê tông để xây dựng các công trình bến cảng trong khu vực tiếp xúc với nước biển. Tại Anh, bắt đầu từ những năm 1870, James Parker đã phát minh ra một loại xi măng tự nhiên khác biệt với xi măng người La Mã đã sử dụng bằng cách nung trầm tính đất sét có chứa khoáng sét và calcium carbonate, nghiền thành bột mịn, sau đó trộn với cát tạo thành vữa. Từ sự thành công này, các nhà sản xuất khác đã tiếp tục nghiên cứu, tạo ra các sản phẩm cạnh tranh bằng cách đốt cháy đất sét và hỗn hợp đá phấn nhân tạo.
Quá trình nghiên cứu, ứng dụng và phát triển xi măng được tiếp tục tại Anh với những đóng góp của Eddystone Lighthouse, Louis Vicat đầu thế kỷ 19. Năm 1824, Joseph Aspdin được cấp bằng sáng chế một loại xi măng tương tự được gọi là xi măng Portland. Từ cuối thế kỷ 19 trở lại đây, việc sử dụng BTXM trong xây dựng được phát triển mạnh. Do nhiều đặc tính thuận lợi (cường độ, chi phí, tính dễ thi công…) nên xi măng ngày nay được sử dụng như vật liệu chính trong xây dựng công trình dân dụng nói chung và trong xây dựng hạ tầng giao thông vận tải nói riêng.2 Thành phần hóa khoáng của xi măng Xi măng Poóc lăng là một loại chất kết dính vô cơ rắn trong nước, sản xuất bằng phương pháp nung hỗn hợp đá vôi và đất sét với một tỷ lệ thích hợp đến nhiệt độ thiêu kết thành clanhke rồi nghiền nhỏ cùng với một lượng nhỏ thạch cao.
Thành phần của xi măng gồm có: - Clinker xi măng - Thạch cao - Phụ gia khoáng: - Phụ gia khoáng hoạt tính: tro bay, xỉ lò cao… - Phụ gia trơ: bột đá vôi, cát thạch anh… Bốn thành phần chính tạo nên clinker được thể hiện trong Bảng 1 dưới đây : Bảng 1. Các thành phần chính tạo nên Clinker Tên khoáng Ký hiệu Công thức Hàm lượng Tricanxi silicat C3S 3CaO .SiO2 37÷60% Bicanxi silicat C2S 2CaO .SiO2 15÷37% Tricanxi aluminat C3A 3CaO .Al2O3 7÷15% Tetra canxi aluminat fero C4AF 4CaO .Fe2O3 10÷18% Khi trộn nước với bột xi măng sẽ xảy ra quá trình thủy hóa tạo hồ xi măng và hình thành môi trường lỗ rỗng giữa pha rắn của các hạt xi măng đã thủy hóa và chưa thủy hóa. Tính chất và tác dụng của từng thành phần khoáng vật chủ yếu trên như sau: - C3S thành phần quan trọng nhất, chiếm tỉ lệ cao nhất, có cường độ cao, rắn chắc nhanh và phát nhiều nhiệt. Trong xi măng tỉ lệ C3S chiếm càng nhiều, chất lượng xi măng càng cao và được gọi là xi măng Alit.
Tuy nhiên, hàm lượng này làm cho xi măng kém bền trong môi trường - C2S - có cường độ cao, rắn chắc chậm trong thời kỳ đầu, nhưng cường độ vẫn tiếp tục phát triển rõ rệt hơn trong thời kỳ sau. 19 - Nếu tỉ lệ C2S chiếm nhiều hơn thì được gọi là xi măng Belit. Loại xi măng này cho tính bền trong môi trường cao hơn so với xi măng chứa khoáng C3S. - C3A - thành phần này rắn rất nhanh trong thời gian đầu nhưng cường độ thấp, nhiệt lượng phát ra nhiều nhất, dễ gây nứt nẻ.
Nếu hàm lượng C3A chiếm nhiều, thì được gọi là xi măng Aluminát. Loại xi măng này rất kém bền trong các môi trường đặc biệt là môi trường sun phát. - C4AF - rắn tương đối nhanh, cường độ phát triển trung bình và phát triển rõ rệt trong thời kỳ sau. Loại khoáng này có khối lượng riêng lớn nhất trong xi măng khoảng 3,77g/cm3 - MgO tồn tại ở dạng tinh thể tự do, thủy hóa rất chậm (kéo dài đến vài năm) và khi chuyển thành Mg(OH)2 thì gây trương nở thể tích nên nếu hàm lượng MgO lớn hơn 5% sẽ gây mất ổn định thể tích của xi măng.
- CaO tự do ở dạng hạt, thường có trong clanhke mới nung xong. Hàm lượng CaO cũng không được vượt quá 1% vì gây trương nở thể tích xi măng. - Các oxýt Na2O, K2O cũng cần khống chế chặt chẽ thành phần khi sử dụng với cốt liệu có chứa oxyt silic vô định hình. Thành phần khoáng vật của clanhke có liên quan trực tiếp đến các tính chất cơ lý chủ yếu của xi măng.
Sự thủy hóa của C3S và C3A diễn ra rất nhanh và hầu như không diễn ra sau 28 ngày tuổi. Ngược lại, C2S và C4AF diễn ra trong nhiều tháng, thậm chí nhiều năm. Như vậy, sự thủy hóa xi măng phụ thuộc chính vào C3S và C3A. Các sản phẩm thủy hóa chính thông thường gồm C-S-H và portlandite Ca(OH)2.
Điều đó lý giải tại sao chúng ta thường lấy mốc 28 ngày tuổi để đánh giá cường độ của BTXM. Các thành phần tham gia trong xi măng có ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính của bê tông như cường độ chịu kéo nén, tốc độ hình thành cường độ, tính ổn định thể tích, đặc tính môi trường rỗng trong bê tông… Sự lựa chọn xi măng phải xét đến các đặc tính của từng loại xi măng theo sự phù hợp của mục đích sử dụng và môi trường khai thác, ví dụ các loại xi măng bền sulphat cho môi trường xâm thực… 20 I.3 Nguồn cung cấp xi măng trên thị trường Việt Nam Trong hơn 20 năm qua, ngành xi măng Việt Nam đã trải qua những biến cố theo quy luật cung-cầu. Khoảng năm 1980, chúng ta thiếu xi măng, nhưng cho đến thời điểm này, chúng ta lại thừa xi măng do ảnh hưởng của những diễn biến bất thường của kinh tế thế giới, đất nước phải thắt chặt tín dụng, cắt giảm đầu tư công, khiến mức tăng về nhu cầu xây dựng giảm. Tình trạng đó đã làm cho các nhà sản xuất xi măng gặp nhiều khó khăn.
Là ngành sản xuất vật liệu xây dựng không quá khó khăn, phức tạp, nước ta lại có nhiều nguồn nguyên liệu nên hoạt động sản xuất xi măng thời gian qua phát triển khá mạnh. Nếu năm 2005 cả nước có chưa đến 40 nhà máy xi măng thì nay đã nâng lên 65 nhà máy. Đến cuối năm 2011, tổng công suất các dây chuyền sản xuất xi măng của cả nước là 65,5 triệu tấn, các nhà máy sản xuất ước đạt 55 triệu tấn. Như vậy, công suất hiện có đã được khai thác tới 86%.
Theo đó năm qua, cả nước tiêu thụ nội địa xấp xỉ 50 triệu tấn xi măng, giảm 1 triệu tấn, nhưng đã giảm nhập khẩu clinker từ 2 triệu tấn năm 2010 xuống còn 1,2 triệu tấn năm 2011. Với lợi thế là một trong những nước có sản lượng xi măng hàng đầu thế giới. Theo tính toán chung, với việc duy trì mức tăng trưởng từ 7-8%/ năm như giai đoạn 2005-2010, mỗi năm nước ta chỉ tiêu thụ hết 55-60 triệu tấn xi măng, nhưng hiện nay chỉ những nhà máy đã sản xuất và chuẩn bị khánh thành công suất đã vượt 65 triệu tấn. Đến năm 2020, dự báo nước ta sẽ sản xuất khoảng 100 triệu tấn xi măng/năm.
Ở phía Bắc có thể kể đến hàng loạt nhà máy đang đi vào hoạt động ổn định và có thị phần lớn như xi măng Hoàng Thạch, Chinphong, Bút Sơn, Bỉm Sơn, Nghi Sơn. Do sản xuất vượt khả năng tiêu thụ nên dư thừa là điều đương nhiên, kể cả khi không chịu ảnh hưởng suy thoái kinh tế. Hiện tại và trong những năm tiếp theo, sử dụng xi măng trong hạ tầng giao thông đang được Chính phủ và nhiều địa phương khuyến khích theo nhiều cơ chế nhằm hạn chế tối đa của khủng hoảng thừa xi măng.2 Bê tông xi măng dùng cho mặt đường ô tô I.