Tổng quan nghiên cứu

Đường cao tốc Bến Lức – Long Thành có chiều dài khoảng 58 km, là tuyến đường quan trọng kết nối phía Nam TP. Hồ Chí Minh với các tỉnh Đồng Nai và Long An, đồng thời là đoạn nối ngắn của tuyến cao tốc Bắc – Nam Việt Nam. Dự án thuộc hành lang kinh tế phía Nam của tiểu vùng sông Mê Kông mở rộng, có vai trò then chốt trong phát triển giao thông vận tải khu vực. Với vận tốc thiết kế 100 km/h và tải trọng xe lớn, yêu cầu kỹ thuật về vật liệu nền, móng đường rất cao. Tuy nhiên, nguồn cát tự nhiên hạt to chất lượng tốt đang giảm nghiêm trọng, trong khi trữ lượng cát mịn lớn nhưng không đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật, gây khó khăn cho thi công và ảnh hưởng đến chất lượng công trình. Giá thành cát tự nhiên tăng nhanh cũng làm đội chi phí xây dựng.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định hàm lượng xi măng hợp lý để gia cố hỗn hợp đá mi và cát tự nhiên, nhằm nâng cao các tính chất cơ lý của vật liệu, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật xây dựng tuyến cao tốc. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phối trộn cát tự nhiên Tân Châu và đá mi mỏ Thiện Tân 1 theo tỷ lệ 80% đá mi và 20% cát, gia cố xi măng với các tỷ lệ 6%, 7%, 8%, 9%. Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá các chỉ tiêu cơ lý như mô đun đàn hồi, cường độ chịu nén và chịu ép chẻ.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa nguồn vật liệu xây dựng, giảm chi phí và nâng cao độ bền, tuổi thọ công trình giao thông trọng điểm quốc gia. Kết quả sẽ góp phần phát triển công nghệ gia cố vật liệu bằng xi măng, phù hợp với chủ trương sử dụng xi măng dư thừa của Chính phủ, đồng thời giải quyết bài toán khan hiếm vật liệu tự nhiên chất lượng cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết gia cố vật liệu rời bằng chất liên kết vô cơ, trong đó xi măng đóng vai trò chất kết dính thủy lực tạo liên kết bền vững giữa các hạt cát và đá mi. Quá trình thủy hóa xi măng tạo ra các sản phẩm hydrosilicat canxi và hydroxit canxi, hình thành cấu trúc tinh thể liên kết các hạt vật liệu thành khối đồng nhất có cường độ cao và độ ổn định tốt trong môi trường nước và nhiệt độ thay đổi.

Hai mô hình vật liệu chính được áp dụng là:

  • Cấp phối đá dăm gia cố xi măng: Đá dăm có kích thước hạt lớn (Dmax = 31,5 hoặc 37,5 mm) trộn với xi măng 3-6% theo khối lượng, đầm nén chặt ở độ ẩm tối ưu trước khi xi măng ninh kết. Vật liệu có cường độ chịu nén và chịu kéo uốn cao, ổn định nhiệt và nước.

  • Hỗn hợp cát tự nhiên và đá mi gia cố xi măng: Kết hợp cát mịn và đá mi (cát nghiền) theo tỷ lệ nhất định, gia cố bằng xi măng để tăng cường độ và độ ổn định, phù hợp làm lớp móng dưới và móng trên của kết cấu áo đường cao tốc.

Các khái niệm chính bao gồm: mô đun đàn hồi (E), cường độ chịu nén (Rn), cường độ chịu ép chẻ (Rech), độ ẩm tối ưu, và tỷ lệ xi măng gia cố.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm. Nguồn dữ liệu gồm:

  • Vật liệu: cát tự nhiên Tân Châu, đá mi mỏ Thiện Tân 1, xi măng Nghi Sơn PCB40.
  • Thí nghiệm xác định thành phần hạt, độ ẩm tối ưu, cường độ chịu nén, chịu ép chẻ và mô đun đàn hồi của hỗn hợp vật liệu gia cố với các tỷ lệ xi măng 6%, 7%, 8%, 9%.
  • Mẫu thí nghiệm dạng hình trụ, đúc theo tiêu chuẩn 22TCN 333-06, bảo dưỡng trong điều kiện ẩm và ngâm bão hòa trước khi thử nghiệm ở tuổi 14, 28 và 56 ngày.
  • Phân tích số liệu bằng phương pháp thống kê mô tả, so sánh các chỉ tiêu cơ lý theo tiêu chuẩn ngành 22TCN 246-98, TCVN 8858-2011 và TCVN 6016:1995.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 3-6 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị vật liệu, tiến hành thí nghiệm, xử lý số liệu và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ ẩm tối ưu và khối lượng thể tích khô lớn nhất: Hỗn hợp vật liệu gia cố với 6% xi măng có độ ẩm tối ưu khoảng 7,9% và khối lượng thể tích khô lớn nhất đạt 2,228 g/cm³. Tương tự, các tỷ lệ xi măng khác có độ ẩm tối ưu giảm nhẹ từ 7,9% xuống 7,6% khi tăng hàm lượng xi măng từ 6% đến 9%.

  2. Cường độ chịu nén (Rn): Cường độ chịu nén tăng theo hàm lượng xi măng và thời gian bảo dưỡng. Ở tuổi 28 ngày, mẫu gia cố với 8% xi măng đạt cường độ trung bình khoảng 4,5 MPa, vượt yêu cầu kỹ thuật cho lớp móng trên (≥ 3,0 MPa). Mẫu 6% xi măng đạt khoảng 3,2 MPa, phù hợp cho lớp móng dưới (≥ 1,5 MPa).

  3. Cường độ chịu ép chẻ (Rech): Tương tự cường độ nén, Rech tăng theo hàm lượng xi măng và thời gian. Mẫu 8% xi măng đạt Rech khoảng 0,5 MPa sau 28 ngày, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật (≥ 0,35 MPa cho móng trên). Mẫu 6% xi măng đạt khoảng 0,3 MPa, phù hợp cho móng dưới.

  4. Mô đun đàn hồi (E): Mô đun đàn hồi của hỗn hợp gia cố tăng từ khoảng 180 MPa ở 6% xi măng lên đến 350 MPa ở 9% xi măng sau 28 ngày, cho thấy vật liệu có khả năng chịu biến dạng đàn hồi tốt, phù hợp với yêu cầu thiết kế kết cấu áo đường.

Thảo luận kết quả

Kết quả thí nghiệm cho thấy việc gia cố hỗn hợp đá mi và cát tự nhiên bằng xi măng với tỷ lệ từ 6% đến 9% giúp nâng cao đáng kể các chỉ tiêu cơ lý quan trọng như cường độ chịu nén, chịu ép chẻ và mô đun đàn hồi. Điều này phù hợp với nguyên lý thủy hóa và kết tinh của xi măng, tạo liên kết bền vững giữa các hạt vật liệu, giảm sự khác biệt về cường độ giữa các nhóm hạt nhỏ và lớn, từ đó tăng tính đồng nhất và ổn định của vật liệu.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành và tiêu chuẩn Việt Nam, hàm lượng xi măng 7-8% được đánh giá là hợp lý nhất để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cho lớp móng trên của tuyến cao tốc, đồng thời cân đối được chi phí vật liệu. Việc sử dụng hỗn hợp đá mi và cát tự nhiên giúp tận dụng nguồn vật liệu sẵn có, giảm phụ thuộc vào cát hạt to khan hiếm và đắt đỏ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự tăng trưởng cường độ chịu nén và chịu ép chẻ theo thời gian và tỷ lệ xi măng, cũng như bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý so sánh với tiêu chuẩn kỹ thuật. Điều này giúp minh bạch và trực quan hóa hiệu quả của phương pháp gia cố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ xi măng 7-8% trong gia cố hỗn hợp đá mi và cát tự nhiên để làm lớp móng trên tuyến cao tốc Bến Lức – Long Thành, nhằm đảm bảo cường độ và độ ổn định theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn thi công móng.

  2. Tăng cường kiểm soát chất lượng vật liệu đầu vào, đặc biệt thành phần hạt cát và đá mi, đảm bảo phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 8858-2011 và 22TCN 246-98. Chủ thể thực hiện: nhà thầu và đơn vị giám sát.

  3. Ứng dụng công nghệ trộn và đầm nén hiện đại, đảm bảo độ ẩm tối ưu và độ chặt cao nhất cho hỗn hợp vật liệu gia cố, nâng cao hiệu quả liên kết xi măng. Thời gian: trong suốt quá trình thi công.

  4. Khuyến khích sử dụng xi măng PCB40 Nghi Sơn dư thừa theo chủ trương kích cầu của Chính phủ, góp phần giảm chi phí và tận dụng nguồn vật liệu sẵn có. Chủ thể thực hiện: chủ đầu tư và nhà cung cấp vật liệu.

  5. Theo dõi và đánh giá chất lượng công trình sau thi công để điều chỉnh tỷ lệ gia cố và quy trình thi công phù hợp với điều kiện thực tế, đảm bảo tuổi thọ và hiệu quả sử dụng lâu dài. Thời gian: trong vòng 1-2 năm sau khi hoàn thành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chủ đầu tư và ban quản lý dự án giao thông: Nắm bắt giải pháp vật liệu gia cố hiệu quả, tối ưu chi phí và nâng cao chất lượng công trình cao tốc.

  2. Nhà thầu xây dựng và tư vấn thiết kế: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn vật liệu, thiết kế kết cấu móng phù hợp với điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả thực nghiệm và ứng dụng công nghệ gia cố vật liệu bằng xi măng.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về giao thông vận tải và vật liệu xây dựng: Định hướng chính sách phát triển nguồn vật liệu xây dựng bền vững, khuyến khích sử dụng vật liệu gia cố xi măng trong các dự án giao thông.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải gia cố hỗn hợp đá mi và cát tự nhiên bằng xi măng?
    Gia cố giúp tăng cường độ chịu nén, chịu ép chẻ và mô đun đàn hồi của vật liệu, cải thiện độ ổn định và tuổi thọ công trình, đặc biệt khi nguồn cát hạt to chất lượng tốt khan hiếm.

  2. Hàm lượng xi măng nào là hợp lý để gia cố hỗn hợp này?
    Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ 7-8% xi măng là tối ưu, đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật theo tiêu chuẩn Việt Nam và cân đối chi phí thi công.

  3. Các chỉ tiêu cơ lý nào được đánh giá trong nghiên cứu?
    Bao gồm cường độ chịu nén (Rn), cường độ chịu ép chẻ (Rech) và mô đun đàn hồi (E), các chỉ tiêu này phản ánh khả năng chịu lực và biến dạng của vật liệu gia cố.

  4. Nguồn vật liệu đá mi và cát tự nhiên được lấy từ đâu?
    Đá mi lấy từ mỏ Thiện Tân 1, cát tự nhiên lấy từ vùng ven TP. Hồ Chí Minh và Đồng Nai, các nguồn này có trữ lượng lớn và phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.

  5. Làm thế nào để đảm bảo chất lượng thi công vật liệu gia cố?
    Cần kiểm soát nghiêm ngặt thành phần hạt, độ ẩm tối ưu, quy trình trộn và đầm nén, đồng thời bảo dưỡng mẫu đúng quy định để đạt cường độ yêu cầu.

Kết luận

  • Đường cao tốc Bến Lức – Long Thành có yêu cầu kỹ thuật cao về vật liệu nền, móng do điều kiện địa chất phức tạp và tải trọng lớn.
  • Nguồn cát tự nhiên hạt to chất lượng tốt khan hiếm, giá thành tăng cao, cần giải pháp vật liệu thay thế.
  • Gia cố hỗn hợp đá mi và cát tự nhiên bằng xi măng với tỷ lệ 7-8% là hợp lý, nâng cao cường độ chịu nén, chịu ép chẻ và mô đun đàn hồi, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.
  • Kết quả nghiên cứu hỗ trợ tối ưu hóa nguồn vật liệu, giảm chi phí và nâng cao tuổi thọ công trình giao thông trọng điểm.
  • Đề xuất áp dụng công nghệ gia cố xi măng trong thi công, đồng thời tăng cường kiểm soát chất lượng và theo dõi sau thi công để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng vật liệu gia cố xi măng trong xây dựng đường cao tốc, góp phần phát triển bền vững ngành giao thông vận tải Việt Nam. Các đơn vị liên quan nên phối hợp triển khai áp dụng kết quả nghiên cứu trong các dự án tương lai.