Luận án tiến sĩ kỹ thuật vật liệu nghiên cứu nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn đối với mặt đường bê tông xi măng

Luận án tiến sĩ kỹ thuật vật liệu nghiên cứu cải thiện cường độ chịu kéo khi uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn cho mặt đường xi măng.

• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu nâng cao cường độ chịu kéo và chống mài mòn của bê tông cát mịn cho mặt đường xi măng
• Loại tài liệu: luận án

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc nâng cao cường độ chịu kéo và khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn cho mặt đường xi măng. Bê tông cát mịn là một loại vật liệu xây dựng có tiềm năng lớn, đặc biệt trong bối cảnh nguồn cát thô ngày càng khan hiếm. Việc sử dụng cát mịn không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có. Đề tài này nhằm chứng minh khả năng sử dụng cát mịn thay thế cho cát thô trong sản xuất bê tông, từ đó đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng loại bê tông này cho các công trình giao thông.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển của hệ thống cơ sở hạ tầng, đặc biệt là hệ thống đường giao thông, là một nhu cầu cấp bách. Việc sử dụng cát mịn trong bê tông không chỉ giúp giảm chi phí vận chuyển mà còn mở rộng khả năng sử dụng tài nguyên thiên nhiên. Nghiên cứu này sẽ chỉ ra rằng cát mịn có thể được sử dụng hiệu quả trong bê tông xi măng, từ đó góp phần giải quyết tình trạng khan hiếm cát thô hiện nay.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn. Nghiên cứu sẽ phân tích mối quan hệ giữa các thành phần của bê tông và các chỉ tiêu cơ lý của nó. Đặc biệt, nghiên cứu sẽ tìm hiểu cách tối ưu hóa tỷ lệ nước và xi măng để đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật mong muốn.

II. Tổng quan về tình hình nghiên cứu

Chương này sẽ trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông cát mịn trên thế giới và tại Việt Nam. Các nghiên cứu trước đây cho thấy rằng bê tông cát mịn có thể được sử dụng trong nhiều loại công trình, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế về cường độ và khả năng chống mài mòn. Việc phân loại và yêu cầu kỹ thuật đối với cát làm cốt liệu cho bê tông cũng sẽ được đề cập.

2.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng bê tông cát mịn

Trên thế giới, bê tông cát mịn đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ công trình dân dụng đến công trình giao thông. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc ứng dụng bê tông cát mịn cho mặt đường vẫn còn hạn chế. Các nghiên cứu cho thấy rằng cát mịn có thể cải thiện một số tính chất của bê tông, nhưng cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn để khẳng định tính khả thi của nó trong các công trình lớn.

2.2. Đặc điểm và yêu cầu kỹ thuật đối với bê tông xi măng

Bê tông xi măng có những yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt về cường độ và khả năng chống mài mòn. Đặc biệt, cường độ chịu kéo khi uốn là một chỉ tiêu quan trọng, ảnh hưởng đến độ bền của mặt đường. Nghiên cứu này sẽ chỉ ra rằng việc sử dụng cát mịn có thể làm giảm cường độ chịu kéo, do đó cần có các biện pháp cải tiến để nâng cao tính chất này.

III. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương này sẽ trình bày các loại vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu, bao gồm cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn. Phương pháp nghiên cứu sẽ được mô tả chi tiết, bao gồm các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn. Việc lựa chọn vật liệu và phương pháp thí nghiệm phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

3.1. Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu

Cốt liệu nhỏ và lớn được lựa chọn dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Cát mịn sẽ được sử dụng làm cốt liệu chính, trong khi cốt liệu lớn sẽ được lựa chọn từ các nguồn có sẵn tại địa phương. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến các chỉ tiêu cơ lý của bê tông.

3.2. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sẽ sử dụng các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn để xác định các chỉ tiêu cơ lý của bê tông. Các phương pháp này bao gồm thí nghiệm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và độ mài mòn. Ngoài ra, các phương pháp phi tiêu chuẩn cũng sẽ được áp dụng để đánh giá các tính chất khác của bê tông cát mịn.

IV. Nâng cao cường độ chịu kéo và khả năng chống mài mòn

Chương này sẽ tập trung vào việc nâng cao cường độ chịu kéo khi uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông cát mịn. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của bê tông sẽ được phân tích, bao gồm tỷ lệ nước, tỷ lệ xi măng và thành phần cốt liệu. Nghiên cứu sẽ chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể cải thiện đáng kể các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông.

4.1. Tính chất của hỗn hợp bê tông

Tính chất của hỗn hợp bê tông sẽ được đánh giá thông qua các chỉ tiêu như độ sụt, độ tách nước và khả năng duy trì tính công tác. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thi công và chất lượng của bê tông. Nghiên cứu sẽ chỉ ra rằng việc điều chỉnh tỷ lệ nước và xi măng có thể cải thiện tính chất của hỗn hợp bê tông.

4.2. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo

Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông sẽ được phân tích. Nghiên cứu sẽ chỉ ra rằng cường độ chịu kéo khi uốn có thể bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ xi măng trên nước. Việc tối ưu hóa tỷ lệ này sẽ giúp nâng cao cường độ chịu kéo của bê tông cát mịn.

V. Ứng dụng thực tế và đánh giá hiệu quả kinh tế

Chương cuối cùng sẽ trình bày một số ứng dụng thực tế của kết quả nghiên cứu và đánh giá hiệu quả kinh tế của việc sử dụng bê tông cát mịn. Nghiên cứu sẽ chỉ ra rằng việc sử dụng cát mịn không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao chất lượng công trình. Các kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với các tiêu chuẩn hiện hành để đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng bê tông cát mịn trong các công trình giao thông.

5.1. Một số ứng dụng kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng trong các công trình giao thông, đặc biệt là trong việc xây dựng mặt đường bê tông xi măng. Việc sử dụng bê tông cát mịn sẽ giúp giảm chi phí và nâng cao chất lượng công trình. Nghiên cứu sẽ chỉ ra rằng bê tông cát mịn có thể đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của mặt đường.

5.2. Đánh giá hiệu quả kinh tế

Đánh giá hiệu quả kinh tế của việc sử dụng bê tông cát mịn sẽ được thực hiện thông qua việc so sánh chi phí và lợi ích. Nghiên cứu sẽ chỉ ra rằng việc sử dụng cát mịn không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế cho các công trình xây dựng. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh hiện nay khi nguồn cát thô ngày càng khan hiếm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề về vai trò của các hạt có kích thƣớc nhỏ hơn 0,14 mm làm tăng lƣợng dùng xi măng khoảng 7 % đến 8 %. Tiếp tục tăng hàm lƣợng hạt nhỏ đến 18 % thì lƣợng dùng xi măng chỉ tiếp tục tăng khoảng 3 %. Với các hàm lƣợng hạt nhỏ hơn 0,14 mm khác nhau, thì sự chênh lệch về cƣờng độ chịu nén cũng nhƣ chịu kéo có thể đạt tới 80 % mặc dù các cấp phối có tỷ lệ N/X nhƣ nhau. Bên cạnh đó, giá trị mô đun độ lớn không có tƣơng quan rõ rệt với các tính chất của bê tông.

Phân tích các số liệu về chống thấm cho thấy hàm lƣợng hạt nhỏ hơn 0,14 mm để đạt đƣợc hàm lƣợng chống thấm tốt nhất là 13 %. Tổng hợp các kết quả cho phép kết luận rằng hàm lƣợng hạt nhỏ hơn 0,14 mm tối ƣu nằm trong khoảng từ 5 % đến 12 %. Hơn 20 năm nghiên cứu cát mịn trong chế tạo bê tông hạt nhỏ và bê tông tổ ong không chƣng áp, nhóm tác giả [103], đã sử dụng cát mịn của 17 khu vực khai thác thuộc Liên Xô (cũ), Kazakhstan, Uzbekistan và Turkmenistan. Cát mịn có thành phần chủ yếu cỡ hạt từ 0,25 mm đến 0,01 mm chiếm từ 70 % đến 80 % theo khối lƣợng.

Một số loại cát có thể lên tới 90 % thậm chí 100 % hạt nhỏ hơn 0,14 mm. Tỷ lệ hạt mịn hơn 0,005 mm có thể đạt từ 15 % đến 17 %. Phân loại cát mịn thành các nhóm theo tỷ diện tích bề mặt bao gồm nhóm 1 có tỷ diện tích bề mặt lớn hơn 30 m2/kg, nhóm 2 từ 20 m2/kg đến 30 m2/kg, nhóm 3 từ 10 m2/kg đến 20 m2/kg. Sử dụng cát mịn trên, đã chế tạo đƣợc bê tông hạt nhỏ có cấp cƣờng độ chịu nén đến B22,5 khả năng chịu băng giá đến hơn 500 chu kỳ, mác chống thấm tới W8, độ hút nƣớc ít hơn từ 2 đến 3 lần so với bê tông cát thông thƣờng với lƣợng dùng xi măng từ 350 kg/m3 đến 450 kg/m3.

Ngoài ra, cũng chế tạo đƣợc bê tông khí không chƣng áp có mác theo khối lƣợng thể tích D500 đến D1200, cấp cƣờng độ chịu nén từ B1,5 đến B5, có độ thấm hơi từ 7,5.Pa, hệ số khuếch tán hơi nƣớc từ 10,2.102 m2/h, hệ số thấm hơi nƣớc từ 0,7. 10 Nghiên cứu bê tông hạt nhỏ tại Algieri [51], đƣợc tiến hành với cát sa mạc có mô đun độ lớn 1,22 so sánh với cát sông có mô đun độ lớn 2,83. Các cấp phối nghiên cứu có tỷ lệ nƣớc trên xi măng 0,40; 0,45 và 0,50; tỷ lệ xi măng trên cát là 1/3 và 1/4. Kết quả nghiên cứu cho thấy, với cát sông thì khi sử dụng 1 % phụ gia dẻo hóa, cƣờng độ bê tông giảm khi tăng tỷ lệ nƣớc trên xi măng.

Tác giả cũng nhấn mạnh vai trò của phụ gia với mức gia tăng cƣờng độ đến 40 % khi sử dụng trong bê tông cát mịn sa mạc. Tại Pháp, nghiên cứu về bê tông hạt mịn, năm 1853 kỹ sƣ Francois Coignet đã đƣa ra loại bê tông đặc cho kết cấu cột đổ tại chỗ chính là tiền thân bê tông hạt mịn (bê tông cát). Bê tông cát là hỗn hợp không có đá bao gồm cát, tro bay, xỉ than, đất sét nung, vôi thủy tự nhiên với hàm lƣợng nƣớc thấp; một dãy nhà vẫn tồn tại ở số 72 phố Charles-Michels, Sanit-Denis phía Bắc Pari cũng đƣợc xây dựng bằng loại bê tông này. Sau đó, hỗn hợp này sử dụng trong nhiều công trình xây dựng và hệ thống thoát nƣớc, tƣờng chắn ở quảng trƣờng Trocadero ở Pari và hệ thống kênh thoát nƣớc Vannce trong con đƣờng qua rừng Fontainebleau.

Cũng nghiên cứu về bê tông hạt mịn, ở Liên bang Nga, năm 2007 các nghiên cứu của trƣờng Đại học Xây dựng Matxcơva đã đề xuất công nghệ chế tạo bê tông hạt mịn trên cơ sở cát thạch anh không dùng cốt liệu lớn làm các blốc móng, tấm ốp lòng kênh, viên vỉa hè, bậc thềm và các chế phẩm kích thƣớc nhỏ khác.  Nhƣ vậy, có thể thấy rằng việc sử dụng cát mịn làm cốt liệu trong chế tạo bê tông hạt nhỏ, đã đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới nghiên cứu và sử dụng. Tuy nhiên, định hƣớng nghiên cứu của luận án là sử dụng cát mịn thay thế toàn bộ cát thô trong chế tạo và sản xuất bê tông thông thƣờng (có cốt liệu lớn). Do đó, cần tập trung vào những nghiên cứu của các nƣớc trên thế giới theo hƣớng nhƣ sau:  Sử dụng cát mịn thay thế toàn bộ hoặc một phần cát thô (Mdl > 2), trong bê tông thông thường, các nghiên cứu này đã được nhiều nước trên thế giới triển khai nghiên cứu và sử dụng: Tại Liên Xô (cũ), các nghiên cứu về cát mịn sử dụng trong bê tông đã đƣợc thực hiện từ khá sớm, đặc biệt là cho bê tông thủy công.

Cho đến những năm 50 của thế kỷ XX, sử dụng cát mịn đƣợc chuẩn hóa trong “Hƣớng dẫn kỹ thuật sử dụng cát mịn 11 trong bê tông thủy công” [102]. Tài liệu này chỉ ra nhu cầu tăng lƣợng dùng xi măng trong bê tông sử dụng cát mịn tới 20 % đến 40 %. Các nghiên cứu về sau cho thấy có thể chế tạo bê tông cát mịn với lƣợng dùng xi măng cao hơn không nhiều so với khi sử dụng cát thô. Những năm 70 của thế kỷ XX, cũng ở Liên Xô (cũ) đã sử dụng cát mịn Dơ-nhi-ép, Ba-zơ-khan vào bê tông trong một số công trình thủy công và xây dựng [15].

Một số công trình nghiên cứu của Ki-ri-en-cô của S.ton-nhi-côp và Gu-ba … cũng đã đƣợc công bố. Tuy nhiên, ý kiến vẫn còn những quan điểm khác nhau, thí dụ nhƣ khi Sơ-krăm-ta-ep, Ki-ri-en-cô… cho rằng có thể dùng đƣợc cát nhỏ làm bê tông, thì theo các giáo sƣ Khi-ghê-rô-vich và Góoc-cha-kốp, Vô-rô-bi-ep và Kôma, yêu cầu chỉ dùng cát hạt trung và hạt thô để làm bê tông vẫn cần đƣợc duy trì [14]. Đến những năm 80 của thế kỷ XX, trong quá trình sử dụng cát địa phƣơng khai thác từ sông Enisei để xây dựng thủy điện Sayano-Shushenskaia [93], đã tiến hành nghiên cứu sử dụng cát có mô đun độ lớn từ 1,13 đến 3,07. Kết quả cho thấy ở lƣợng dùng xi măng 300 kg/m3, tỷ lệ N/X từ 0,42 đến 0,50, thì lƣợng dùng cát tối ƣu giảm theo chiều giảm mô đun độ lớn của cát.

Khi dùng cát mịn ở lƣợng dùng tối ƣu thì lƣợng xi măng cần tăng lên để đạt cùng mức cƣờng độ chỉ dƣới 20 kg/m3. Ngoài ra, nghiên cứu này cũng cho thấy, nên tính riêng lƣợng hạt có kích thƣớc từ 2,5 mm đến 5 mm nhƣ một phần của cốt liệu lớn sẽ cho phép chỉ định chính xác hơn lƣợng dùng cát trong bê tông. Cũng tại Liên Xô (cũ), trong những năm 80 của thế kỷ XX một trong những lĩnh vực mà cát mịn đƣợc sử dụng khá rộng rãi là trong ngành giao thông đặc biệt là chế tạo bê tông cho đƣờng và sân bay. Điều này đƣợc thực hiện ở các nghiên cứu của (Viện nghiên cứu đƣờng bộ) đƣợc xem là cơ sở để biên soạn “Hƣớng dẫn sử dụng cát mịn trong bê tông xi măng cho mặt đƣờng ô tô và sân bay” [95] và “Hƣớng đẫn sử dụng bê tông ít cốt liệu lớn sử dụng cát mịn trong xây dựng mặt đƣờng ô tô và sân bay” [96].

Các nghiên cứu trên đều khẳng định lợi ích của việc sử dụng cát mịn địa phƣơng trong chế tạo bê tông đƣờng. Sử dụng cát mịn (mô đun độ lớn từ 1,5 đến 2,0) và rất mịn (mô đun độ lớn từ 1,0 đến 1,5) cho phép chế tạo bê tông với cấu trúc lỗ rỗng nhỏ hơn và phân bố đều hơn, cải thiện đƣợc vùng tiếp xúc giữa cốt liệu lớn và vữa cũng nhƣ giảm chiều dày lớp đá xi măng bao bọc quanh hạt cát so với bê tông sử dụng cát thô. Nhờ 12 đó, có thể cải thiện đƣợc một loạt tính chất của bê tông. Với cùng mức cƣờng độ chịu nén, bê tông sử dụng cát mịn và rất mịn có cƣờng độ chịu kéo uốn và khả năng đàn hồi cao hơn từ 5 % đến 10 % so với bê tông sử dụng cát trung và cát thô.

Tuy nhiên, một số tính năng của bê tông đƣờng sử dụng cát mịn và rất mịn (chịu mòn mỏi và bám dính) kém hơn so với bê tông sử dụng cát trung và cát thô tới 10 % đến 15 %. Để khắc phục nhƣợc điểm này có thể sử dụng thêm cát thô hoặc các hạt cỡ lớn để nâng mô đun độ lớn của cát lên đến 2,0 hoặc 2,5. Cát mịn và rất mịn để chế tạo bê tông đƣờng có hàm lƣợng nhỏ hơn 0,14 mm không vƣợt quá 15 %. Cát có hàm lƣợng hạt nhỏ hơn 0,14 mm tới 20 % có thể sử dụng trong các công trình thử nghiệm.

Cũng theo các hƣớng dẫn trên, để chế tạo bê tông cát mịn và rất mịn cần phải sử dụng các loại phụ gia giảm nƣớc. Lƣợng dùng phụ gia giảm nƣớc trong bê tông sử dụng cát mịn và rất mịn đƣợc chỉ định lớn hơn so với bê tông sử dụng cát thô để giữ nguyên lƣợng dùng nƣớc của hỗn hợp bê tông. Nhờ đó, hạn chế việc phải tăng lƣợng dùng xi măng để đảm bảo yêu cầu về cƣờng độ. Ngoài ra, hiệu quả của phụ gia giảm nƣớc có thể đƣợc tăng cƣờng nhờ việc đảm bảo hàm lƣợng cuốn khí của bê tông từ (4,5÷ 6) %.

Theo các nghiên cứu tại Liên Xô (cũ) [98], cũng cho thấy cát mịn có độ rỗng, tỷ lệ diện tích bề mặt lớn hơn và có thành phần hạt kém hơn so với cát thô. Do đó, cát mịn làm giảm tính công tác của hỗn hợp bê tông và giảm cƣờng độ bê tông dẫn đến phải tăng lƣợng dùng xi măng để đạt cùng giá trị tính công tác và cƣờng độ. Thay thế cát thô bằng cát mịn thì tính công tác của hỗn hợp bê tông chịu ảnh hƣởng rõ rệt và hàm lƣợng cát tối ƣu trong bê tông nhỏ hơn so với cát thô. Tại Trung Quốc từ những năm 65 của thế kỷ XX, cát mịn cũng đã đƣợc nghiên cứu và đƣa vào sử dụng trong bê tông, điều này đƣợc đề cập trong Quy phạm BGY 19-65, cho phép dùng các loại cát có mô đun độ lớn trên 0,7 để làm bê tông.

Bên cạnh đó, Viện nghiên cứu thủy lợi An–Huy, Trung Quốc cũng đã có những công trình nghiên cứu về cát mịn địa phƣơng ứng dụng cho nhiều công trình thủy công và xây dựng.