Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu hơn 3.200 km bờ biển với hệ thống đê biển trải dài từ Bắc vào Nam, đóng vai trò quan trọng trong bảo vệ kinh tế, xã hội và quốc phòng. Tuy nhiên, nhiều tuyến đê biển hiện nay còn thấp, nhỏ, chưa đạt tiêu chuẩn kỹ thuật, dễ bị sạt lở và hư hỏng do tác động của biến đổi khí hậu, nước biển dâng và bão mạnh. Đặc biệt, các đê biển ở vùng đồng bằng Bắc Bộ và miền Trung thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão cấp 9 trở lên, gây ra thiệt hại nghiêm trọng về kết cấu đê. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu và ứng dụng các vật liệu gia cố đê biển có tính bền vững, chịu được tác động của sóng và nước biển là cấp thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp thiết kế thành phần cấp phối vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, nhằm gia cố mái đê biển Hải Thịnh – Nam Định. Mục tiêu chính là làm chủ phương pháp thiết kế cấp phối, xác định thành phần cấp phối tối ưu và các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của vật liệu hỗn hợp phù hợp với điều kiện khí hậu, môi trường và công nghệ thi công tại Việt Nam. Nghiên cứu được thực hiện dựa trên các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm thực tế tại trạm trộn, với phạm vi thời gian nghiên cứu khoảng năm 2015.

Việc ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc được kỳ vọng nâng cao độ bền, khả năng chống xâm thực, đàn hồi và tuổi thọ của lớp gia cố mái đê biển, góp phần giảm thiểu chi phí bảo trì, nâng cao hiệu quả bảo vệ đê trong điều kiện biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu hỗn hợp asphalt và cơ học đất đắp đê biển, bao gồm:

  • Lý thuyết vật liệu hỗn hợp asphalt: Nghiên cứu tính chất cơ lý của hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, bao gồm độ nhớt, khối lượng thể tích, độ bám dính và độ phân tầng. Asphalt được xem là vật liệu có khả năng chống xâm thực, biến dạng đàn hồi và thích ứng mềm dẻo với sự lún sụt nền đê.

  • Mô hình thiết kế cấp phối vật liệu: Áp dụng phương pháp Marshall để xác định thành phần cấp phối tối ưu giữa cốt liệu lớn (đá dăm, sỏi), cốt liệu nhỏ (cát), bột đá và bitum. Mục tiêu là đạt được thành phần hạt phù hợp, độ nhớt và độ bám dính tối ưu.

  • Khái niệm về gia cố mái đê biển: Gia cố mái đê bằng vật liệu hỗn hợp asphalt nhằm tăng khả năng chịu lực, chống xói mòn và giảm thiểu sạt lở do sóng và nước biển.

Các khái niệm chính bao gồm: độ nhớt hỗn hợp, hàm lượng nhựa tối ưu, khối lượng thể tích, độ phân tầng, và độ bám dính của hỗn hợp với đá hộc.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa tổng hợp tài liệu, phân tích thống kê và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, cụ thể:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu khoa học trong và ngoài nước, báo cáo ngành, các tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam và quốc tế về vật liệu asphalt và đê biển. Dữ liệu thực nghiệm được lấy từ các mẫu vật liệu tại nguồn cung cấp và trạm trộn tại Hải Thịnh – Nam Định.

  • Phương pháp phân tích: Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đầu vào (đá dăm, cát, bột đá, bitum), thí nghiệm độ nhớt hỗn hợp, khối lượng thể tích, độ phân tầng và độ bám dính. Phương pháp Marshall được áp dụng để thiết kế cấp phối và xác định hàm lượng nhựa tối ưu.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian năm 2015, bao gồm giai đoạn thiết kế sơ bộ trong phòng thí nghiệm và giai đoạn thử nghiệm hoàn chỉnh tại trạm trộn. Mỗi hàm lượng nhựa được thử nghiệm ít nhất 15 mẫu để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu vật liệu được lấy từ nguồn cung cấp thực tế tại Hải Thịnh, đảm bảo đại diện cho điều kiện thi công thực tế. Mẫu thí nghiệm có kích thước trụ đường kính 102 mm, chiều cao 63,5 mm.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, thực tiễn và khả năng ứng dụng cao trong thiết kế và thi công gia cố đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định thành phần cấp phối tối ưu: Qua thí nghiệm, thành phần cấp phối vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc được xác định với tỷ lệ cốt liệu lớn (đá dăm) chiếm khoảng 60%, cốt liệu nhỏ (cát) và bột đá chiếm phần còn lại, cùng với hàm lượng bitum tối ưu từ 14% đến 20% theo khối lượng hỗn hợp. Hàm lượng nhựa tối ưu được xác định là khoảng 16%, đảm bảo độ nhớt phù hợp và khả năng chèn kín khe rỗng đá hộc.

  2. Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đầu vào: Đá dăm có cường độ nén ≥ 80 MPa, độ hao mòn Los Angeles ≤ 40%, hàm lượng hạt thoi dẹt ≤ 15%, đảm bảo độ bền và độ bám dính với bitum cấp 3 trở lên. Cát có mô đun độ lớn ≥ 2, hàm lượng bụi bẩn ≤ 3%, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Bitum 60/70 được sử dụng với tính đồng nhất cao.

  3. Độ nhớt và khối lượng thể tích hỗn hợp: Độ nhớt của hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc dao động từ 170 đến 280 centistokes ở nhiệt độ thi công 130-170°C, đảm bảo tính lưu động và khả năng chèn kín. Khối lượng thể tích trung bình của hỗn hợp đạt khoảng 2,3 g/cm³, phù hợp với yêu cầu thiết kế.

  4. Độ phân tầng và độ bám dính: Thí nghiệm độ phân tầng cho thấy độ chênh lệch hàm lượng nhựa giữa nửa trên và nửa dưới mẫu không vượt quá 5%, đảm bảo tính đồng nhất của hỗn hợp. Độ bám dính của hỗn hợp với đá hộc đạt lực nhổ trung bình trên 10 N, đảm bảo liên kết chắc chắn giữa các thành phần.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc có nhiều ưu điểm vượt trội so với vật liệu truyền thống như bê tông hoặc đá hộc lát. Khả năng chống xâm thực trong môi trường nước biển, độ đàn hồi và biến dạng mềm dẻo giúp vật liệu thích ứng tốt với sự lún sụt và biến dạng của nền đê, hạn chế sạt lở cục bộ. Độ nhớt và hàm lượng nhựa tối ưu đảm bảo hỗn hợp có tính lưu động cao, dễ thi công và chèn kín các khe rỗng đá hộc.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, đặc biệt là các công trình tại Hà Lan và Hàn Quốc, kết quả hàm lượng nhựa và thành phần cấp phối tương đồng, chứng tỏ tính khả thi và phù hợp của phương pháp thiết kế cấp phối áp dụng tại Việt Nam. Việc thử nghiệm ngoài trạm trộn cũng xác nhận tính ổn định và đồng nhất của hỗn hợp trong điều kiện thi công thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ nhớt, khối lượng thể tích, cũng như bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đầu vào và hỗn hợp. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự ảnh hưởng của thành phần cấp phối đến tính chất vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp thiết kế cấp phối vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc cho gia cố mái đê biển tại các khu vực có điều kiện khí hậu và môi trường tương tự Hải Thịnh – Nam Định, nhằm nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình. Thời gian triển khai: 1-2 năm; chủ thể thực hiện: các cơ quan quản lý đê biển và nhà thầu xây dựng.

  2. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình thi công vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc phù hợp với điều kiện Việt Nam, bao gồm yêu cầu về vật liệu đầu vào, thiết bị thi công và kiểm soát chất lượng. Thời gian: 1 năm; chủ thể: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phối hợp với Viện Khoa học Thủy lợi.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ kỹ thuật và công nhân thi công về công nghệ trộn, đúc mẫu, kiểm tra chất lượng và thi công vật liệu hỗn hợp asphalt. Thời gian: liên tục; chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng.

  4. Thực hiện các dự án thí điểm ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc tại các tuyến đê biển trọng điểm, đồng thời theo dõi, đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế để nhân rộng. Thời gian: 2-3 năm; chủ thể: các địa phương, nhà đầu tư và đơn vị thi công.

  5. Tăng cường nghiên cứu phát triển vật liệu phụ gia cải thiện tính năng hỗn hợp asphalt, nhằm nâng cao khả năng chống chịu môi trường biển và kéo dài tuổi thọ công trình. Thời gian: dài hạn; chủ thể: viện nghiên cứu và các trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý đê biển và thủy lợi: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và kế hoạch nâng cấp hệ thống đê biển, đảm bảo an toàn và bền vững trong điều kiện biến đổi khí hậu.

  2. Các nhà thầu xây dựng và tư vấn kỹ thuật: Áp dụng phương pháp thiết kế cấp phối và quy trình thi công vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc để thi công các công trình gia cố đê biển, nâng cao chất lượng và hiệu quả thi công.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành xây dựng công trình thủy lợi, vật liệu xây dựng: Tham khảo để phát triển nghiên cứu sâu hơn về vật liệu mới, công nghệ thi công và ứng dụng trong bảo vệ đê biển.

  4. Các nhà hoạch định chính sách và nhà đầu tư: Đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của vật liệu hỗn hợp asphalt trong gia cố đê biển, từ đó đưa ra quyết định đầu tư phù hợp, góp phần phát triển bền vững vùng ven biển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc có ưu điểm gì so với bê tông truyền thống?
    Vật liệu này có khả năng chống xâm thực tốt hơn, độ đàn hồi cao, thích ứng mềm dẻo với sự lún sụt nền đê, hạn chế nứt gãy và sạt lở cục bộ. Ngoài ra, thi công nhanh, không cần xử lý khe lạnh như bê tông.

  2. Hàm lượng nhựa tối ưu trong hỗn hợp asphalt được xác định như thế nào?
    Thông qua thí nghiệm độ nhớt và các chỉ tiêu cơ lý, hàm lượng nhựa tối ưu khoảng 16% giúp hỗn hợp có độ nhớt phù hợp, khả năng chèn kín khe rỗng đá hộc và độ bám dính tốt.

  3. Phương pháp thiết kế cấp phối áp dụng có phù hợp với điều kiện Việt Nam không?
    Nghiên cứu đã điều chỉnh thành phần cấp phối và quy trình thi công phù hợp với vật liệu địa phương và điều kiện khí hậu, môi trường tại Hải Thịnh – Nam Định, có thể áp dụng cho các vùng tương tự.

  4. Quy trình thi công vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc có phức tạp không?
    Quy trình sử dụng thiết bị cơ giới chuyên dụng như trạm trộn nhựa, máy cẩu, máy đào, thi công nhanh và dễ dàng hơn so với bê tông, không cần xử lý khe lạnh, phù hợp thi công trong môi trường nước.

  5. Tuổi thọ của lớp gia cố bằng vật liệu hỗn hợp asphalt là bao lâu?
    Theo kinh nghiệm quốc tế, các công trình sử dụng vật liệu asphalt có tuổi thọ trên 50 năm, cao hơn nhiều so với bê tông và đá hộc truyền thống, giúp giảm chi phí bảo trì và nâng cao hiệu quả bảo vệ đê.

Kết luận

  • Luận văn đã làm chủ được phương pháp thiết kế thành phần cấp phối vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, xác định được hàm lượng nhựa tối ưu và thành phần cấp phối phù hợp với điều kiện Việt Nam.
  • Các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đầu vào và hỗn hợp đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo tính ổn định, độ bền và khả năng thi công.
  • Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc có nhiều ưu điểm vượt trội so với vật liệu truyền thống, đặc biệt trong khả năng chống xâm thực, đàn hồi và tuổi thọ công trình.
  • Kết quả nghiên cứu đã được thử nghiệm thực tế tại trạm trộn và khu vực Hải Thịnh – Nam Định, chứng minh tính khả thi và hiệu quả ứng dụng.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật, tiêu chuẩn và kế hoạch triển khai ứng dụng rộng rãi vật liệu này trong gia cố đê biển, góp phần nâng cao an toàn và bền vững hệ thống đê biển Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ quan quản lý, nhà thầu và viện nghiên cứu phối hợp triển khai các dự án thí điểm, hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo nhân lực để ứng dụng hiệu quả vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc cho đê biển Việt Nam.