Đặt vấn đề Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) đã được ứng dụng hơn 100 năm qua, đây là một trong hai loại hình mặt đường chính dùng trong xây dựng đường bộ và sân bay, đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành nên mạng lưới giao thông. Mặt đường BTXM có mặt trên tất cả các cấp đường giao thông, đã và đang tiếp tục xây dựng và phát triển ở hầu hết các nước trên thế giới, tập trung nhiều ở các nước có nền kinh tế phát triển như Canada, Mỹ, Đức, Anh, Hà Lan, Trung Quốc. Tỷ lệ mặt đường BTXM ở các nước này chiếm khoảng 40%, còn ở Việt Nam thì tỷ lệ này vẫn rất thấp khoảng 2,5%. Trong quá trình phát triển với sự xuất hiện của nhiều vật liệu mới và công nghệ thi công liên tục được cải tiến đã thúc đẩy sự ra đời của nhiều loại mặt đường, trong đó phải kể đến công nghệ bê tông đầm lăn.
Bê tông đầm lăn (BTĐL) là bê tông không có độ sụt được đầm chặt bằng lu rung với thành phần tương tự như bê tông xi măng. Công nghệ này bắt đầu được áp dụng từ những năm 60 ở một số nước như Canada, Italia, Đài loan và sau đó đã được lần lượt áp dụng ở nhiều nước khác nhờ các đặc tính ưu việt như tốc độ thi công nhanh, giá thành thấp so với bê tông thông thường (BTT), đặc biệt là cho một số đập thủy lợi, thủy điện lớn. Đối với công nghệ mới này, sự lựa chọn loại vật liệu sử dụng, sau đó là chất lượng và lượng dùng của chúng là nhân tố chính ảnh hưởng đến chất lượng và giá thành của sản phẩm. Giống như với BTT, các thành phần vật liệu của BTĐL gồm: chất kết dính, cốt liệu, nước và phụ gia hóa học.
Tuy nhiên điểm khác giữa hai loại bê tông này là chất kết dính sử dụng cho BTĐL ngoài xi măng còn có thêm phụ gia khoáng được xem như là thành phần bắt buộc. Phụ gia khoáng có vai trò quan trọng trong việc cải thiện các tính chất của bê tông và thỏa mãn các yêu cầu cần thiết trong qui trình thi công. Ở Việt Nam những năm gần đây, hàng loạt các công trình thủy điện được xây dựng mà ở đó vai trò của BTĐL đã thực sự được khẳng định. Tuy nhiên, việc ứng dụng BTĐL trong xây dựng hạ tầng giao thông chưa có nhiều.
Trong khi đó hàng loạt các công trình đường giao thông qua các vùng thường xuyên chịu lũ lụt, các bãi đỗ xe, sân cảng và sân bãi các công trình công nghiệp lớn, đang và sẽ được xây dựng trong tương lai gần. e 2 Năm 2013, Bộ giao thông vận tải ban hành Thông tư số 12/2013/TT – BGTVT về việc “Quy định sử dụng kết cấu mặt đường bê tông xi măng trong đầu tư xây dựng công trình giao thông”. Thông tư đã hướng dẫn cụ thể về việc lựa chọn kết cấu mặt đường BT cũng như các quy định pháp lý cho công tác thiết kế và thi công cho loại hình mặt đường này. Điều này càng khẳng định thêm xu thế sử dụng mặt đường bê tông trong những năm sắp tới ở Việt Nam.
Trong tình hình kinh tế suy thoái như hiện nay, làm đường bê tông là một giải pháp kích cầu mà Đảng và Nhà nước ta khuyến khích. Điều này không chỉ thúc đẩy ngành xi măng trong nước phát triển, tạo việc làm cho người lao động mà còn giảm nhập siêu do hàng năm Việt Nam phải nhập khẩu hàng trăm tấn nhựa đường, góp phần hiện thực hóa các giải pháp kích cầu của Chính phủ trong giai đoạn hiện nay. Vì vậy, từ thực tế này cho thấy việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ BTĐL vào trong xây dựng giao thông là thực sự cần thiết, góp phần giảm giá thành đầu tư công trình mà vẫn đảm bảo tốt chất lượng, mang lại ý nghĩa thiết thực giúp cho công tác xây dựng ở nước ta làm chủ được một loại hình công nghệ tiên tiến, đồng thời phát huy các nguồn lực sẵn có trong nước. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là làm rõ các tính chất cơ lý chủ yếu của BTĐL, để áp dụng cho các công trình đường giao thông trên cơ sở nguyên vật liệu, thiết bị sẵn có trong điều kiện khí hậu ở Việt Nam.
Mong muốn kết quả nghiên cứu này sẽ trở thành cơ sở cho việc thiết kế hỗn hợp BTĐL và là cơ sở ứng dụng vật liệu trong công tác thiết kế kết cấu áo đường cứng. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng của luận án là nghiên cứu BTĐL để ứng dụng trong xây dựng đường giao thông ở Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu là lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần, xác định một số tính chất cơ bản của BTĐL trong phòng thí nghiệm. Trên cơ sở đó đề xuất một số phương án kết cấu phù hợp với các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế và điều kiện môi trường ở Việt Nam.
TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM Mục đích của chương này nhằm đánh giá tình hình nghiên cứu, ứng dụng vật liệu bê tông đầm lăn trong nước và trên thế giới, từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu của luận án cho ứng dụng trong xây dựng đường ở Việt Nam. Khái niệm về bê tông đầm lăn 1. Quá trình hình thành cường độ Quá trình hình thành cường độ của BTĐL cũng tương tự như BTT, cơ bản dựa trên quá trình hình thành cường độ của đá xi măng. Trước khi tạo hỗn hợp bê tông và bắt đầu đông kết, hồ xi măng tạo thành sau khi nhào trộn xi măng với nước thành loại huyền phù đặc có cấu trúc ngưng tụ.
Trong đó những hạt rắn hút nhau bằng lực Vanđecvan và liên kết với nhau bằng lớp vỏ hydrat. Cấu trúc này sẽ bị phá hủy khi có lực cơ học tác dụng (nhào, trộn, rung và đầm) nó trở thành chất lỏng nhớt, dễ tạo hình. Việc chuyển hồ sang trạng thái chảy mang đặc trưng xúc biến, khi loại bỏ tác dụng của lực cơ học thì liên kết cấu trúc trong hệ lại được phục hồi. Tính chất cơ học của hồ xi măng tăng theo mức độ thủy hóa của xi măng.
Theo thuyết Baikov – Rebinder, sự hình thành cấu trúc của hồ xi măng và cường độ của nó diễn ra theo các giai đoạn như sau: - Giai đoạn hòa tan: khi nhào trộn xi măng với nước, các thành phần khoáng clanhke sẽ tác dụng với nước ngay trên bề mặt của hạt xi măng. Những sản phẩm mới tan được như Ca(OH)2, 3CaO.6H2O sẽ hòa tan vào trong nước. Tuy nhiên độ tan của chúng không lớn do lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên bão hòa. Những phân tố cấu trúc đầu tiên được hình thành sau khi nhào trộn xi măng với nước là etringit, hydroxit canxi và các sợi gen Ca(OH)2 xuất hiện vài giờ sau đó.
Những lớp gen mỏng tạo thành xen giữa các tinh thể Ca(OH)2 làm đặc chắc thêm hồ xi măng. - Giai đoạn hóa keo: dung dịch quá bão hòa, các sản phẩm Ca(OH)2, 3CaO.6H2O mới tạo thành sẽ không tan nữa mà tồn tại ở trạng thái keo, trong khi đó các sản phẩm ettringit (CSH) vốn không tan, nên vẫn tồn tại ở thể keo phân tán. Nước vẫn tiếp tục mất đi (bay hơi, phản ứng với xi măng), các sản phẩm mới tiếp tục tạo thành, e 4 tỷ lệ rắn so với lỏng ngày một tăng, hỗn hợp mất dần tính dẻo, các sản phẩm ở thể keo liên kết với nhau thành thể ngưng keo. - Giai đoạn kết tinh: nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi, các sản phẩm mới ngày càng nhiều, chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho cả hệ thống hóa cứng.
Đến cuối giai đoạn đông kết cấu trúc của hồ xi măng được hình thành làm cho nó biến đổi thành đá xi măng và khả năng chịu lực tăng lên. Sự hình thành cấu trúc của đá xi măng trải qua các quá trình vật lý và hóa học phức tạp, là sự biến đổi tổng hợp mà ở đó các quá trình xảy ra đồng thời, xen kẽ và tác dụng tương hỗ nhau. Mặc dù, trong BTĐL lượng nước và lượng xi măng ít hơn nhiều so với BTT, song các quá trình thủy hỏa của xi măng vẫn diễn ra phức tạp như bản chất vốn có của nó, đồng thời là cơ sở căn bản cho sự hình thành cường độ bê tông sau này. Tuy nhiên, do lượng hồ xi măng không đủ lấp đầy khoảng rỗng giữa các hạt cốt liệu và bôi trơn bề mặt các hạt cốt liệu, nên hỗn hợp bê tông bị rời rạc và kém dẻo.
Sự bổ sung của thành phần phụ gia khoáng (PGK) cùng với xi măng tạo thành chất kết dính cho cốt liệu lớn (bộ khung chịu lực chính của kết cấu). Phụ gia khoáng sẽ góp phần tăng thể tích hồ, bổ sung lượng hạt mịn còn thiếu để lấp đầy lỗ rỗng tại các khe giữa các hạt cốt liệu tăng tính dẻo cho hỗn hợp, tăng độ đặc chắc cho bê tông, do đó làm tăng khả năng chịu lực và chống thấm của bê tông. Ngoài ra, nó còn làm giảm lượng nhiệt tỏa ra từ các sản phẩm của quá trình thủy hóa xi măng, giảm độ co ngót cho bê tông, đây là nguyên nhân chính gây ra rạn nứt phá hoại kết cấu bê tông sau này. Bên cạnh đó, lực chấn động cũng là yếu tố quan trọng khác góp phần hình thành nên cường độ cho BTĐL.
Trong giai đoạn đầu, nhờ máy trộn cưỡng bức, các thành phần trong hỗn hợp BTĐL có sự phân bố đồng đều không bị phân tầng hay vón cục. Trong giai đoạn thi công, với lu rung bánh thép gây ra một áp lực lớn lên hỗn hợp, làm cho các thành phần được xắp xếp chặt chẽ, kết cấu của BTĐL càng đặc chắc hơn. Với hàm lượng nước ít chỉ đủ cho quá trình thủy hóa của xi măng, nên hạn chế phần nào lượng nước dư thừa bay hơi gây ra lỗ rỗng là nguyên nhân làm giảm cường độ của bê tông. So với BTT thì cường độ của BTĐL được hình thành sớm hơn, mặc dù sự phát triển cường độ của nó vẫn biến đổi liên tục theo thời gian.
Đến một giai đoạn sự phát e 5 triển đó được ổn định, tuy nhiên quá trình hình thành cường độ của nó là một quá trình phức tạp, mà ở đó sự biến đổi cơ – lý - hóa xen kẽ nhau và tác dụng tương hỗ bổ sung nhau. Đặc điểm của BTĐL 1.