Tổng quan luận án

Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành mạng lưới giao thông đường bộ và sân bay tại Việt Nam. Tuy nhiên, đặc thù thi công mặt đường là kết cấu trải dài theo tuyến, diện tích bề mặt thoáng lớn, chịu tác động trực tiếp của các yếu tố khí hậu bất lợi. Phương pháp bảo dưỡng bên ngoài truyền thống (EC) như tưới nước duy trì độ ẩm, phủ cát ẩm hoặc trải bạt ẩm thường kém hiệu quả đối với các loại bê tông có tỷ lệ nước trên chất kết dính (N/CKD) thấp, đồng thời gặp nhiều khó khăn tại các khu vực khan hiếm nguồn nước hoặc địa hình đồi núi phức tạp. Thực tế xây dựng tại Việt Nam ghi nhận nhiều kết cấu bê tông bị nứt ở tuổi sớm do co ngót thể tích nội tại trong quá trình đóng rắn. Giải pháp nội bảo dưỡng (IC) sử dụng vật liệu xốp bão hòa nước làm "bể chứa" dự trữ để bù ẩm bên trong cấu trúc đá xi măng đã được nghiên cứu trên thế giới, song việc ứng dụng cát nhẹ keramzit kết hợp xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn cho mặt đường ô tô tại Việt Nam chưa được khảo sát một cách toàn diện và có hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung:

  1. Thiết kế thành phần hỗn hợp và đánh giá các chỉ tiêu vật lý và cơ học cơ bản của BTXM nội bảo dưỡng để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của BTXM làm mặt đường ô tô;
  2. Đánh giá khả năng thực hiện nội bảo dưỡng của BTXM thiết kế để ứng dụng làm mặt đường ô tô;
  3. Đánh giá các ứng xử cơ bản của BTXM nội bảo dưỡng thiết kế khi được áp dụng làm BTXM mặt đường ô tô, từ đó nêu bật được khả năng và phạm vi ứng dụng của BTXM nội bảo dưỡng để làm mặt đường BTXM đường ô tô trong điều kiện khí hậu Việt Nam.

Đối tượng nghiên cứu là mặt đường bê tông xi măng sử dụng bê tông nội bảo dưỡng đáp ứng yêu cầu cho đường ô tô với công nghệ thi công thông thường. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng hỗn hợp cát nhẹ keramzit và xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn cho bê tông nội bảo dưỡng, hướng tới ứng dụng xây dựng mặt đường bê tông xi măng trong điều kiện Việt Nam cho các cấp đường từ cấp III trở xuống.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Khái niệm về nội bảo dưỡng (Internal Curing - IC) được Paul Klieger đề cập lần đầu vào năm 1957 tại Hội nghị thế giới về bê tông ứng suất trước, ghi nhận khả năng nhả nước của cốt liệu nhẹ sang hồ xi măng trong quá trình thủy hóa. Đến năm 1991, Philleo kiến nghị giải pháp thay thế một phần cốt liệu nhỏ bằng cốt liệu nhẹ bão hòa nước nhằm cung cấp nguồn nước dưỡng hộ vào sâu bên trong cấu trúc bê tông cường độ cao. Từ giữa thập niên 1990, các nghiên cứu về IC phát triển mạnh mẽ tại Đức, Israel, Đan Mạch và Hoa Kỳ. Bentur chỉ ra rằng thay thế 20% đến 25% cốt liệu nhẹ bão hòa có thể loại trừ hiện tượng co tự sinh ở bê tông có tỷ lệ N/CKD thấp. Dale P. Bentz, Pietro Lura và John Roberts (2005) đã thiết lập phương trình cân bằng thể tích nước nội bảo dưỡng để bù co hóa học của chất kết dính. Bentz và Jensen chứng minh hệ thống lỗ rỗng mao quản của cốt liệu nhẹ bão hòa giúp phân phối đồng đều lượng ẩm, kiểm soát co khô và nứt tuổi sớm.

Về ứng dụng thực tế, Sở Giao thông Vận tải tiểu bang New York (NYSDOT) trong giai đoạn 2009–2011 đã ứng dụng cốt liệu nhẹ cho bê tông nội bảo dưỡng (thay thế 30% thể tích cốt liệu nhẹ, N/CKD = 0,4) trên hàng loạt công trình cầu như I-81 East Hill Road, I-290 Ramp D, I-81 Court Street; số liệu do Streeter và cộng sự công bố năm 2012 khẳng định cường độ nén ở các tuổi 7, 28 và 56 ngày của bê tông IC tương đương hoặc cao hơn bê tông đối chứng. Nghiên cứu của Golias (2010) với mức thay thế 25% và 28% cốt liệu nhẹ cho thấy mô đun đàn hồi giảm, giúp giảm ứng suất kéo do biến dạng co ngót. Wei và Hansen (2008) ghi nhận hỗn hợp IC làm giảm độ cong vênh của tấm bê tông tới 70%. Cusson và Margeson đánh giá bê tông IC có hàm lượng gel C-S-H ở 28 ngày tuổi cao hơn 20%, giúp giảm 25% độ thấm ion clo và giảm 19% khả năng thấm nước. Tập đoàn Northeast Solite (Hoa Kỳ) đã ứng dụng đá phiến sét trương nở nghiền vụn với các hàm lượng thay thế 59, 119 và 178 kg/m³ để chế tạo bê tông mặt đường.

Bên cạnh cốt liệu nhẹ, các hướng nghiên cứu phụ gia tự bảo dưỡng cũng được ghi nhận: Đại học bang Iowa (2015), nghiên cứu sử dụng phụ gia polyethylene glycol (PEG400) cho bê tông mác M20 và M40; nghiên cứu tại Ai Cập (2015) trên bê tông tự bảo dưỡng (SCUC) kết hợp silica fume; nghiên cứu của Kumar và cộng sự tại Ấn Độ (2017) và nghiên cứu năm 2017 sử dụng PEG 4000, PEG 6000, PVA cho bê tông mác M25.

Tại Việt Nam, công tác bảo dưỡng mặt đường BTXM được điều chỉnh theo Quyết định số 1951/QĐ-BGTVT ngày 17/8/2012, yêu cầu phun màng giữ ẩm định mức tối thiểu 0,35 kg/m² hoặc phủ vật liệu ẩm duy trì từ 14 đến 21 ngày. Các hư hỏng nứt sớm ở các công trình lớn (như trụ cầu Vĩnh Tuy, hầm Thủ Thiêm) chịu tác động trực tiếp từ khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, bức xạ cao và hiệu ứng gió phơn khô nóng. Về giải pháp vật liệu, phụ gia Rechocure 736 (BASF) được tiếp cận từ năm 1988; Nguyễn Duy Hiếu và Trần Bá Việt (2009) đã khảo sát ảnh hưởng của dưỡng hộ nội tại đến bê tông cốt liệu rỗng độ chảy cao. Các nghiên cứu tiếp theo của Nguyễn Duy Hiếu làm rõ cơ sở khoa học và cơ chế chuyển dịch nước IC trong điều kiện môi trường trong nước.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án tập trung giải quyết là: Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào bê tông kết cấu nhà hoặc bê tông cường độ cao nói chung. Việc nghiên cứu kết hợp cát nhẹ keramzit và xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn để chế tạo bê tông xi măng nội bảo dưỡng chuyên biệt cho mặt đường ô tô, xác định khoảng hệ số dư vữa tối ưu và phân tích toàn diện ứng xử cơ học của tấm mặt đường trong điều kiện Việt Nam vẫn chưa được thực hiện đầy đủ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên định nghĩa về nội bảo dưỡng theo tiêu chuẩn ACI CT-13 và hướng dẫn ACI (308-213)R-13. Quá trình trao đổi nước giữa cát nhẹ bão hòa và đá xi măng được mô hình hóa theo lý thuyết mao quản và mô hình áp suất phụ Laplace. Khi xi măng thủy hóa, kích thước lỗ mao quản trong nền đá xi măng $r(t)$ liên tục co nhỏ theo thời gian rắn chắc ($r(t) \ll R_a$, với $R_a$ là bán kính mao quản trong hạt cát nhẹ keramzit vốn bất biến). Chênh lệch áp suất mao quản giữa pha lỏng trong cốt liệu và trong hồ xi măng được xác định theo biểu thức:

$$\Delta P(t) = P_a - P(m) = 2 \left( \frac{\sigma_m \cos \theta_m}{r(t)} - \frac{\sigma \cos \theta_a}{R_a} \right)$$

Khi coi sức căng bề mặt $\sigma_m \approx \sigma$ và góc thấm ướt $\theta_m \approx \theta_a$, chênh lệch áp suất trở thành:

$$\Delta P(t) \approx 2\sigma \left( \frac{1}{r(t)} - \frac{1}{R_a} \right)$$

Vì $r(t) \ll R_a$, giá trị $\Delta P(t)$ luôn dương và tăng dần theo tuổi bê tông, tạo lực hút mao quản kéo nước dự trữ từ các khoang rỗng của cát nhẹ sang bù đắp độ ẩm cho đá xi măng, duy trì độ ẩm bão hòa, bù co hóa học và thúc đẩy phản ứng thủy hóa tiếp diễn.

Khối lượng cốt liệu rỗng bão hòa ($M_{CLR}$) cần thiết để bù đắp co hóa học được xác định theo mô hình của Bentz, Lura và Roberts:

$$M_{CLR} = \frac{V_n}{P_{CLR} \cdot S}$$

Trong đó, thể tích nước bù co hóa học $V_n$ tính theo công thức:

$$V_n = \frac{CKD \cdot CS \cdot \alpha_{max}}{\rho_n}$$

Với:

  • $CKD$: Lượng chất kết dính trong 1 m³ bê tông (kg/m³);
  • $\rho_n$: Khối lượng riêng của nước ($\rho_n = 1\text{ g/cm}^3$);
  • $CS$: Độ co hóa học của chất kết dính ($CS \approx 0,07\text{ g N/1g CKD}$);
  • $\alpha_{max}$: Mức độ thủy hóa cực đại ($\alpha_{max} = (w/c)/0,36$ khi $w/c \le 0,36$ và $\alpha_{max} = 1$ khi $w/c > 0,36$);
  • $S$: Tỷ lệ trả lại nước từ cốt liệu rỗng bão hòa cho nền xi măng;
  • $P_{CLR}$: Độ rỗng của cốt liệu nhẹ.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành thông qua việc chế tạo các tổ mẫu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Nguồn dữ liệu và vật liệu sử dụng bao gồm:

  • Xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB40 Nghi Sơn thỏa mãn TCVN 6260:2009;
  • Phụ gia khoáng xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn S95 Hòa Phát;
  • Cát vàng tự nhiên hạt thô theo TCVN 7570:2006;
  • Cát nhẹ keramzit đáp ứng TCVN 6220:1997 và ASTM C1761/C1761M-13b (độ nhả nước $D \ge 85% A$, độ hút nước $A_{72}$ sau 72 giờ ngâm);
  • Cốt liệu lớn là đá dăm cỡ hạt lớn nhất $D_{max} = 20\text{ mm}$;
  • Phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate;
  • Nước trộn dùng nước sinh hoạt theo TCVN 4506:2012.

Phương pháp tính toán kết cấu kết hợp giữa phương pháp giải tích theo tiêu chuẩn AASHTO 1993, kiểm toán theo Quyết định 1951/QĐ-BGTVT và phân tích dự báo hư hỏng theo phương pháp cơ học - thực nghiệm (Mechanistic-Empirical M-E) dựa trên số liệu khí hậu thực tế của trạm quan trắc Phú Thọ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Nghiên cứu tổng quan về xây dựng mặt đường ô tô có sử dụng bê tông xi măng nội bảo dưỡng

Chương 1 tổng hợp lịch sử phát triển hơn một thế kỷ của mặt đường BTXM trên thế giới, bắt đầu từ Anh vào thập niên 1850 và mở rộng sang Pháp, Đức, Hoa Kỳ, Nga. Báo cáo của Cục Đường bộ Liên bang Hoa Kỳ (FHWA, 2007) cung cấp số liệu thống kê về tỷ lệ ứng dụng mặt đường BTXM:

Quốc gia / Vùng lãnh thổ Tỷ lệ và quy mô mặt đường bê tông xi măng
Hoa Kỳ Chiếm 9% trong 490.179 km đường đô thị; 4% trong 1.491 km đường ngoài đô thị
Québec (Canada) Chiếm 4% mạng lưới (1.239 km / 29.000 km) nhưng phục vụ tới 75% lưu lượng giao thông
CHLB Đức Chiếm khoảng 25% mạng lưới đường cao tốc có lưu lượng giao thông cao
Áo Chiếm tới 2/3 trong tổng số 14.000 km đường cao tốc quốc gia
Bỉ Chiếm 40% chiều dài đường cao tốc và 60% mạng lưới đường nông thôn
Hà Lan Chiếm 5% trong 2.300 km cao tốc; 10% trong 20.000 km đường xe đạp
Australia Chiếm khoảng 67% tổng chiều dài các tuyến đường cao tốc
Trung Quốc Chiếm khoảng 60% tổng chiều dài mạng lưới đường cao tốc

Chương này phân loại cấu tạo mặt đường BTXM thành các dạng: BTXM không cốt thép phân tấm đổ tại chỗ (chiều dày 15–40 cm, kích thước tấm 3–7 m, phổ biến là 5 m); BTXM cốt thép; BTXM cốt thép liên tục (hàm lượng thép dọc khoảng 0,54%, cốt thép dọc $\Phi 16\text{ mm}$, cốt thép ngang $\Phi 12\text{ mm}$, khoảng cách vết nứt kiểm soát từ 1,05–2,4 m với bề rộng nứt dưới 1,0 mm); BTXM lưới thép (thép $\Phi 10–14\text{ mm}$, khoảng cách 10–20 cm bố trí cách mặt 6–10 cm); BTXM cốt sợi phân tán; BTXM dùng lu (chiều dày khoảng 20 cm); BTXM ứng suất trước; BTXM lắp ghép đúc sẵn. Tuổi thọ thiết kế của mặt đường cứng đạt từ 20 đến 50 năm, nhiều đoạn tuyến vận hành tới 70 năm.

Chương 1 cũng tổng hợp các số liệu thực nghiệm quốc tế về ảnh hưởng của IC đối với tính chất vật liệu:

  • Dữ liệu cầu của NYSDOT (Streeter và cs, 2012) tại Interstate I-81 và I-290 cho thấy cường độ nén 28 ngày của bê tông IC đạt từ 4.683 psi đến 6.976 psi, tương đương hoặc vượt mẫu đối chứng thông thường;
  • Kết quả thí nghiệm của Cusson và Margeson (2010) với bê tông $N/CKD = 0,5$ và lượng nước IC 0,075 cho thấy cường độ nén 28 ngày tăng từ 60 MPa lên 65 MPa (tăng 8%), độ thấm nước đạt $2,7 \times 10^{-11}\text{ m/s}$ (cải thiện 19%) và độ thấm ion clo giảm từ 553 Coulomb xuống 415 Coulomb (giảm 25%).

Đánh giá thực trạng tại Việt Nam chỉ ra rằng các hướng dẫn hiện hành (Quyết định 1951/QĐ-BGTVT) đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt về bảo dưỡng bên ngoài, song việc thực thi gặp trở ngại lớn do các đặc trưng khí hậu nóng ẩm, bức xạ nhiệt cao, gió phơn miền Trung gây bay hơi nước nhanh, dẫn đến nứt sớm do co ngót. Luận án xác định nhiệm vụ trọng tâm là nghiên cứu ứng dụng cát nhẹ keramzit kết hợp xỉ lò cao nghiền mịn cho mặt đường BTXM cấp III trở xuống.

Chương 2. Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mặt đường ô tô sử dụng bê tông xi măng nội bảo dưỡng

Chương 2 trình bày bản chất hóa lý của quá trình thủy hóa xi măng và các giai đoạn biến dạng thể tích. Thủy hóa alit ($C_3S$) tạo hydrosilicat canxi (C-S-H) và hydroxit canxi $Ca(OH)_2$. Pha aluminat tricanxi ($C_3A$) phản ứng nhanh với nước, khi có thạch cao (3–5%) sẽ tạo khoáng ettringit ($3CaO \cdot Al_2O_3 \cdot 3CaSO_4 \cdot 32H_2O$) dạng tinh thể sợi chèn lấp lỗ rỗng, sau đó chuyển hóa thành monosunphat ($2(CaO \cdot Al_2O_3 \cdot CaSO_4 \cdot 18H_2O)$). Hiện tượng co hóa học xuất hiện do thể tích của sản phẩm thủy hóa nhỏ hơn tổng thể tích ban đầu của nước và xi măng, dẫn đến hiện tượng tự khô khi $N/X < 0,42$.

Vật liệu cát nhẹ keramzit sản xuất từ quá trình nung phồng nở khoáng silicat ở nhiệt độ trên 1.093°C, sở hữu hệ thống lỗ rỗng mao quản bền vững sau khi làm nguội. Theo ASTM C1761, cát nhẹ dùng cho IC phải đạt độ nhả nước $D \ge 85% A$. Luận án phân tích toán đồ và đồ thị xác định hàm lượng cát nhẹ theo ACI (308-213)R-13 dựa trên lượng chất kết dính, mức co hóa học chuẩn 0,07 và tỷ lệ N/CKD. Cơ chế trao đổi ẩm được giải thích thông qua áp suất phụ Laplace $\Delta P(t)$, chứng minh khoảng cách truyền ẩm hữu hiệu của nước IC từ hạt cốt liệu nhẹ vào nền hồ xi măng đạt từ 20–30 mm ở tuổi 3–14 ngày, 5–8 mm ở tuổi 28 ngày và 2–4 mm ở tuổi 56–90 ngày.

Chương này cũng phân tích sâu vai trò của xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn S95. Xỉ hạt hóa làm nguội nhanh bằng nước có cấu trúc thủy tinh xốp và độ hoạt tính cao. Phản ứng puzolanic giữa xỉ và $Ca(OH)_2$ sinh ra thêm gel C-S-H, tăng mật độ đặc chắc tại vùng chuyển tiếp (vốn là khu vực yếu nhất chứa nhiều tinh thể $Ca(OH)_2$ kích thước lớn do nước tách đọng lại). Khi dùng đơn lẻ, xỉ lò cao gây bất lợi là làm tăng độ tách nước và giảm cường độ tuổi sớm. Tuy nhiên, khi phối hợp xỉ lò cao với cát nhẹ bão hòa, cát nhẹ hấp thụ lượng nước dư thừa ngăn phân tầng tách nước, đồng thời giải phóng ẩm nội tại giúp quá trình thủy hóa kéo dài. Việc thay thế xi măng bằng xỉ lò cao giúp giảm tổng nhiệt thủy hóa và giảm co hóa học ban đầu. Bên cạnh đó, phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate với cơ chế tích điện cùng dấu và cản trở không gian của mạch nhánh polime giúp phân tán tối đa các hạt xi măng vón tụ, cho phép giảm tỷ lệ nước nhào trộn xuống dưới 0,35 mà vẫn duy trì tính công tác.

Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm vật liệu bê tông xi măng nội bảo dưỡng làm mặt đường ô tô

Chương 3 triển khai chương trình thực nghiệm trên 3 nhóm hỗn hợp: bê tông thường (đối chứng), bê tông nội bảo dưỡng dùng cát nhẹ đơn thuần, và bê tông nội bảo dưỡng phối hợp cát nhẹ với 35% xỉ lò cao.

Nội dung thí nghiệm khảo sát các tính chất của hỗn hợp bê tông tươi và bê tông đóng rắn bao gồm:

  • Độ sụt ban đầu và tốc độ suy giảm độ sụt theo thời gian;
  • Hiện tượng tách nước và phân tầng của hỗn hợp;
  • Cường độ chịu nén ($R_n$) tại các mốc 3, 7 và 28 ngày tuổi;
  • Cường độ chịu kéo khi uốn ($R_{ku}$) tại các mốc 3, 7 và 28 ngày tuổi;
  • Độ mài mòn của bề mặt bê tông ở các tuổi 3, 7 và 28 ngày;
  • Mất nước bề mặt, biến dạng co mềm tuổi sớm và co khô dài ngày;
  • Mô đun đàn hồi và độ chống thấm nước.

Kết quả thực nghiệm xác định hệ số dư vữa ($K_d$) là yếu tố chi phối tính công tác và cấu trúc đá xi măng. Luận án đã tìm ra khoảng hệ số dư vữa hợp lý:

$$K_d = 1,47 \div 1,56$$

Trong dải giá trị $K_d = 1,47 \div 1,56$, hỗn hợp bê tông IC phối hợp cát nhẹ và xỉ lò cao đạt được sự cân bằng tối ưu:

  • Hỗn hợp duy trì độ sụt ổn định, không xuất hiện hiện tượng phân tầng hay tách nước;
  • Cường độ chịu nén 28 ngày ($R_{n28}$) và cường độ chịu kéo khi uốn 28 ngày ($R_{ku28}$) đều thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật làm mặt đường ô tô đến cấp III;
  • Cường độ tuổi sớm (3 ngày) của bê tông IC chứa 35% xỉ lò cao thấp hơn mẫu đối chứng nhưng tốc độ tăng trưởng cường độ từ 7 đến 28 ngày diễn ra mạnh mẽ;
  • Giá trị độ mài mòn ở tuổi 28 ngày giảm rõ rệt, chứng minh độ đặc chắc bề mặt được tăng cường;
  • Quá trình mất nước bề mặt và độ co mềm đo được ở tuổi sớm giảm đáng kể so với bê tông thông thường;
  • Giá trị co khô đo dài hạn của mẫu bê tông IC thấp hơn rõ rệt so với mẫu đối chứng;
  • Mô đun đàn hồi của bê tông nội bảo dưỡng có xu hướng thấp hơn nhẹ so với bê tông thường, đây là đặc tính có lợi giúp triệt tiêu và giải tỏa ứng suất kéo phát sinh khi kết cấu tấm bị cản trở biến dạng co ngót hoặc dãn nở nhiệt.

Chương 4. Ứng dụng bê tông xi măng nội bảo dưỡng trong thiết kế và xây dựng mặt đường bê tông xi măng trong điều kiện khí hậu Việt Nam

Chương 4 tập trung giải quyết bài toán ứng dụng kết cấu mặt đường BTXM trong điều kiện khai thác thực tế:

  • Thí nghiệm xác định hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của bê tông IC cho thấy sự thay đổi tương ứng theo hàm lượng cát nhẹ thay thế;
  • Đánh giá chế độ bảo dưỡng bê tông thông qua thí nghiệm ép chẻ mẫu ITS ở tuổi 14 và 28 ngày dưới các chế độ dưỡng hộ khác nhau (chế độ bảo dưỡng tiêu chuẩn và chế độ bảo dưỡng thiếu ẩm/khô ngoài B). Kết quả chứng minh bê tông nội bảo dưỡng duy trì được sự phát triển cường độ ổn định ngay cả trong điều kiện bảo dưỡng bên ngoài bị gián đoạn hoặc không có nước tưới;
  • Tính toán kết cấu mặt đường theo phương pháp AASHTO 1993: Luận án sử dụng các thông số lưu lượng trục xe nặng tính toán quy đổi, mô đun phản ứng nền móng, độ tin cậy và các chỉ số cơ lý thực nghiệm của bê tông IC để xác định chiều dày tấm bê tông hợp lý;
  • Kiểm toán kết cấu theo hướng dẫn hiện hành của Việt Nam (Quyết định 1951/QĐ-BGTVT): Tính toán lưu lượng trục xe nặng trung bình ngày đêm năm đầu tiên, kiểm tra trạng thái ứng suất uốn nguy hiểm nhất dưới tác dụng đồng thời của tải trọng trục xe nặng và chênh lệch nhiệt độ theo chiều dày tấm, đối chiếu điều kiện cường độ chịu kéo khi uốn mỏi;
  • Kiểm tra kết cấu theo phương pháp cơ học - thực nghiệm (M-E): Ứng dụng số liệu khí hậu nhiều năm của trạm Phú Thọ (biến thiên nhiệt độ môi trường, độ ẩm không khí, bức xạ mặt trời) để mô phỏng và dự báo các chỉ tiêu hư hỏng của mặt đường theo thời gian khai thác:
    • Dự báo tiến trình phát triển độ gồ ghề mặt đường (chỉ số IRI);
    • Dự báo tỷ lệ tấm bê tông bị nứt ngang theo thời gian vận hành;
    • Dự báo chiều dài khe nối trung bình bị hư hỏng.

Kết quả mô phỏng khẳng định mặt đường BTXM sử dụng bê tông nội bảo dưỡng duy trì các chỉ tiêu khai thác nằm trong giới hạn cho phép suốt thời hạn thiết kế, giảm thiểu nguy cơ nứt vỡ sớm và phù hợp với điều kiện khí hậu nóng ẩm của Việt Nam.

Kết quả và những đóng góp mới

Kết quả nghiên cứu của luận án

  1. Khảo sát toàn diện tính chất vật liệu thành phần, tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông đã đóng rắn; xác định được cấp phối bê tông nội bảo dưỡng hợp lý đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đối với bê tông làm mặt đường ô tô.
  2. Lựa chọn được vật liệu nội bảo dưỡng phù hợp là cát nhẹ keramzit bão hòa nước kết hợp với phụ gia khoáng xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn S95.
  3. Xác lập sự tồn tại của khoảng hệ số dư vữa hợp lý $K_d = 1,47 \div 1,56$, đảm bảo đồng thời các chỉ tiêu kỹ thuật về cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và độ chống mài mòn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đối với mặt đường BTXM đường giao thông đến cấp III.
  4. Làm sáng tỏ sự làm việc của bê tông xi măng nội bảo dưỡng trong kết cấu mặt đường; kiểm tra độ bền mỏi, kiểm toán theo các tiêu chuẩn hiện hành và dự báo chính xác tuổi thọ công trình thông qua phương pháp cơ học - thực nghiệm.

Những đóng góp mới của luận án

  • Lựa chọn được hàm lượng hợp lý cát nhẹ là vật liệu cho Bê tông nội bảo dưỡng với phụ gia khoáng xỉ lò cao nghiền mịn.
  • Xác định được khoảng hệ số dư vữa hợp lý đối với cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và độ mài mòn của Bê tông nội bảo dưỡng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đối với bê tông xi măng làm đường giao thông tới cấp III.
  • Đã xác định được sự làm việc của BTXM nội bảo dưỡng trong kết cấu mặt đường giao thông.
  • Kết quả nghiên cứu sử dụng để kiểm toán các tiêu chuẩn tính toán kết cấu mặt đường sử dụng Bê tông nội bảo dưỡng cho mặt đường giao thông.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

Áp dụng giải pháp bê tông nội bảo dưỡng dùng cát nhẹ kết hợp xỉ lò cao cho các công trình mặt đường ô tô từ cấp III trở xuống, đặc biệt là các tuyến đường đi qua khu vực địa hình khó khăn, vùng khan hiếm nước thi công hoặc khu vực có điều kiện khí hậu khô nóng khắc nghiệt nhằm hạn chế nứt do co ngót và giảm chi phí bảo dưỡng ẩm bên ngoài.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trên tổ hợp vật liệu cụ thể gồm cát nhẹ keramzit và xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn S95, định hướng áp dụng cho kết cấu mặt đường ô tô từ cấp III trở xuống theo công nghệ thi công thông thường.

Các hướng nghiên cứu chuyên sâu và mở rộng tiếp tục sau bảo vệ được đề xuất bao gồm:

  • Mở rộng khảo sát thực nghiệm với các dạng vật liệu nội bảo dưỡng khác (như polime siêu thấm hút SAP, các loại cốt liệu nhẹ bản địa khác);
  • Nghiên cứu ứng dụng bê tông nội bảo dưỡng cho các cấp đường cao hơn (đường cao tốc, đường giao thông có lưu lượng trục xe đặc biệt nặng hoặc mặt đường sân bay);
  • Xây dựng chỉ dẫn kỹ thuật chi tiết về quy trình công nghệ trộn, rải và kiểm soát chất lượng tại hiện trường cho các đoạn đường thi công thử nghiệm thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho nhiều đối tượng trong lĩnh vực xây dựng công trình giao thông và vật liệu xây dựng:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Hạ tầng, Kỹ thuật Giao thông, Vật liệu Xây dựng: Cung cấp cơ sở lý thuyết chuẩn xác về cơ chế áp suất phụ Laplace, mô hình tính toán bù co hóa học theo ACI và phương pháp luận thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nội bảo dưỡng.
  • Giảng viên và nhà khoa học: Cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm phong phú về tương tác giữa cát nhẹ và xỉ lò cao, ảnh hưởng của hệ số dư vữa $K_d$ tới các chỉ tiêu cơ lý, cùng quy trình mô phỏng hư hỏng cơ học - thực nghiệm (M-E) kết hợp tham số khí hậu địa phương.
  • Kỹ sư thiết kế, cán bộ quản lý dự án và các cơ quan quản lý nhà nước về giao thông: Cung cấp căn cứ khoa học và dữ liệu thực tế để kiểm toán kết cấu mặt đường theo AASHTO 1993 và quy định của Bộ Giao thông Vận tải; đưa ra giải pháp kỹ thuật khả thi thay thế công tác bảo dưỡng ẩm phức tạp tại các vùng sâu, vùng xa, khu vực đồi núi thiếu nước thi công.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án đã lựa chọn những vật liệu cụ thể nào để chế tạo bê tông xi măng nội bảo dưỡng?
Luận án sử dụng xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB40 Nghi Sơn, cát vàng tự nhiên hạt thô, đá dăm $D_{max} = 20\text{ mm}$, phụ gia siêu dẻo polycarboxylate, nước sinh hoạt; tác nhân nội bảo dưỡng là cát nhẹ keramzit bão hòa nước kết hợp với phụ gia khoáng xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn S95 Hòa Phát (tỷ lệ thay thế 35%).

2. Khoảng hệ số dư vữa ($K_d$) hợp lý được luận án tìm ra là bao nhiêu và có ý nghĩa kỹ thuật gì?
Luận án đã xác định khoảng hệ số dư vữa hợp lý là $K_d = 1,47 \div 1,56$. Trong khoảng giá trị này, hỗn hợp bê tông nội bảo dưỡng đạt tính công tác tốt, duy trì độ sụt ổn định, không bị phân tầng tách nước, đồng thời tối ưu hóa các chỉ tiêu cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và độ chống mài mòn thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật của mặt đường BTXM.

3. Cơ chế cung cấp nước tự động của cát nhẹ sang nền đá xi măng được giải thích như thế nào?
Cơ chế được giải thích bằng mô hình áp suất phụ mao quản Laplace $\Delta P(t)$. Trong quá trình thủy hóa, bán kính mao quản trong đá xi măng co nhỏ dần theo thời gian và nhỏ hơn rất nhiều so với bán kính mao quản bất biến trong hạt cát nhẹ keramzit. Sự chênh lệch kích thước này tạo ra chênh lệch áp suất mao quản dương, tạo sức hút tự động rút nước từ các khoang rỗng của cát nhẹ sang bù ẩm cho đá xi măng, duy trì độ ẩm bão hòa và bù co hóa học.

4. Kết cấu mặt đường bê tông nội bảo dưỡng được kiểm toán và dự báo hư hỏng theo những phương pháp nào?
Luận án thực hiện tính toán kết cấu theo tiêu chuẩn AASHTO 1993, kiểm toán khả năng chịu lực theo quy định hiện hành của Việt Nam (Quyết định số 1951/QĐ-BGTVT) và ứng dụng phương pháp cơ học - thực nghiệm (M-E) với dữ liệu khí hậu nhiều năm của trạm Phú Thọ để dự báo sự phát triển của độ gồ ghề (IRI), tỷ lệ tấm bị nứt ngang và hư hỏng khe nối.

5. Phạm vi ứng dụng thực tiễn của kết quả nghiên cứu trong luận án là gì?
Kết quả nghiên cứu được xác định áp dụng cho kết cấu mặt đường bê tông xi măng của các tuyến đường ô tô từ cấp III trở xuống trong điều kiện tự nhiên và khí hậu Việt Nam, thi công bằng công nghệ thông thường.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Lê Thái Bình đã làm sáng tỏ cơ sở khoa học và xác lập phương pháp thực nghiệm ứng dụng cát nhẹ keramzit kết hợp xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn để chế tạo bê tông xi măng nội bảo dưỡng cho mặt đường ô tô. Công trình đã tìm ra khoảng hệ số dư vữa tối ưu $K_d = 1,47 \div 1,56$, chứng minh hiệu quả giảm co ngót, giảm nứt sớm và cải thiện tính chất cơ lý dài hạn của bê tông. Các kết quả tính toán theo tiêu chuẩn AASHTO 1993, kiểm toán theo quy định Việt Nam và dự báo cơ học - thực nghiệm đã khẳng định sự làm việc ổn định của kết cấu tấm mặt đường bê tông nội bảo dưỡng cấp III trở xuống trong điều kiện khí hậu nóng ẩm tại Việt Nam.