Tổng quan luận án
Công trình nghiên cứu "Nghiên cứu sử dụng cốt liệu đá quartzite ở Thanh Sơn - Phú Thọ để chế tạo bê tông xi măng mặt đường" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Ngô Hoài Thanh dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Phạm Duy Hữu, bảo vệ năm 2019 tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, thuộc chuyên ngành Xây dựng đường ô tô và đường thành phố (mã ngành: 9.05).
Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, văn bản luận án nêu rõ: nhu cầu xây dựng công trình giao thông tại Việt Nam rất lớn (với hàng trăm nghìn km đường bộ), tuy nhiên quy mô mặt đường bê tông xi măng (BTXM) trên mạng lưới quốc lộ còn thấp (khoảng 700 km) và ghi nhận nhiều hư hỏng kỹ thuật như nứt vỡ tấm, vỡ cốt liệu do chất lượng vật liệu chưa đạt yêu cầu. Trong khi đó, các quốc gia như Hoa Kỳ, Đức, Trung Quốc đã ứng dụng rộng rãi kết cấu này cho đường ô tô và sân bay. Để đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật mặt đường cứng cấp cao (cường độ kéo uốn yêu cầu lớn hơn 5,0 MPa đối với đường cao tốc, cấp I, cấp II và cường độ nén tương ứng thường trên 50 MPa), việc tìm kiếm nguồn cốt liệu chất lượng cao là yêu cầu tất yếu. Mỏ đá quartzite tại Thanh Sơn, Phú Thọ có trữ lượng lớn trên 10 triệu tấn, thuận lợi cho khu vực trung du và miền núi phía Bắc. Đồng thời, ngành sản xuất xi măng trong nước đang dư thừa công suất (năm 2011 năng lực sản xuất đạt trên 60 triệu tấn so với nhu cầu 50 triệu tấn) và nguồn phụ gia tro bay nhiệt điện dồi dào. Trước thời điểm nghiên cứu, tại Việt Nam chưa có công trình nào đánh giá có hệ thống về đặc tính nhiệt của BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite, cụ thể là việc đo đạc thực nghiệm hệ số giãn nở nhiệt theo ngày tuổi, tương quan giữa hệ số giãn nở nhiệt với loại cốt liệu và tác động của nó tới sự hình thành ứng suất nhiệt gây nứt trong tấm mặt đường.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:
- Hoàn thiện cơ sở khoa học và thực tiễn của việc sử dụng cốt liệu đá quartzite tại Thanh Sơn, Phú Thọ để chế tạo hỗn hợp BTXM mặt đường đạt các chỉ tiêu kỹ thuật phục vụ xây dựng mạng lưới đường ô tô tại khu vực Tây Bắc.
- Đề xuất giải pháp khai thác hợp lý nguồn vật liệu địa phương nhằm thay thế vật liệu vận chuyển từ xa, giảm giá thành xây dựng công trình giao thông đường bộ.
Về câu hỏi và định hướng nghiên cứu, luận án tập trung giải quyết:
- Các chỉ tiêu cơ lý, thành phần khoáng vật và hóa học của đá quartzite rắn chắc Thanh Sơn có đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật đối với cốt liệu cho BTXM mặt đường theo các quy định hiện hành hay không?
- Mối quan hệ tương quan giữa tỷ lệ xi măng/nước (X/N) với các hàm mục tiêu cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn của bê tông đá quartzite được mô hình hóa bằng quy hoạch thực nghiệm như thế nào?
- Trị số hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của BTXM cốt liệu đá quartzite theo các mốc ngày tuổi (3, 7, 14, 28 ngày) sai khác ra sao so với BTXM cốt liệu đá vôi truyền thống?
- Ảnh hưởng của việc gia tăng hệ số giãn nở nhiệt đến ứng suất nhiệt trong tấm mặt đường BTXM ra sao, và kích thước tấm hình học cần được điều chỉnh như thế nào để bảo đảm điều kiện kháng nứt theo tiêu chuẩn?
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ chế tạo từ đá quartzite rắn chắc tại mỏ Đồn Vàng, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ cùng hỗn hợp BTXM sử dụng nguồn cốt liệu này. Mẫu đối chứng sử dụng cốt liệu đá vôi 5x20 mm mỏ Minh Quang (Vĩnh Phúc) và cát Sông Lô (Việt Trì, Phú Thọ). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở phương án thay thế 100% cốt liệu lớn bằng đá dăm quartzite 5x20 mm và 100% cốt liệu nhỏ bằng cát nghiền quartzite rắn chắc; kết cấu mặt đường áp dụng giả định cho đường ô tô cấp III, quy mô giao thông cấp nặng tại vùng phụ cận nguồn vật liệu Thanh Sơn; các thông số tải trọng, khí hậu, lớp móng và đất nền được tính toán theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT của Bộ Giao thông Vận tải.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan tài liệu trong luận án phân định rõ các mảng nghiên cứu quốc tế và trong nước liên quan đến đá quartzite và BTXM mặt đường:
Về nghiên cứu quốc tế:
- Kavitha (2018) nghiên cứu thực nghiệm thay thế cát sông tự nhiên bằng cát nghiền quartzite ở các tỷ lệ 0%, 10%, 20%, 30%, 50% và 100% trong bê tông cấp M30. Tác giả chỉ ra khi thay thế 100% cốt liệu mịn bằng cát quartzite, cường độ nén tăng 14,02% ở 7 ngày tuổi và tăng 18,86% ở 28 ngày tuổi, đồng thời khối lượng thể tích của bê tông giảm do tỷ trọng của cát quartzite thấp hơn cát sông.
- Simma Ravi Kiran nghiên cứu thay thế cốt liệu thô bằng đá quartzite lên tới 100% theo tiêu chuẩn Ấn Độ, xác nhận bê tông đá quartzite đạt cường độ nén cao và làm việc ổn định qua các mốc 7, 28 và 90 ngày tuổi dưới nhiều điều kiện thời tiết.
- Mark Adom khảo sát địa chất dải đá quartzite thuộc hệ tầng Togo tại Ghana, kết luận đá quartzite chưa phong hóa có tính chất cơ lý tương đương đá granite, trong khi bê tông chế tạo từ quartzite phong hóa chỉ đạt cường độ nén 28 ngày bằng 86% so với bê tông granite.
- Công trình của tác giả M (tài liệu [33]) so sánh 3 loại cốt liệu thô (quartzite, granite, sỏi cuội sông), ghi nhận bê tông dùng cốt liệu đá quartzite đạt cường độ chịu nén cao nhất ở mọi mốc ngày tuổi (3, 7, 14, 21, 28 ngày).
- Muhammad Tufail nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ cao (25°C đến 650°C) tới bê tông đá vôi, quartzite và granite, chỉ ra biến dạng nhiệt và sự suy giảm cơ lý của bê tông cốt liệu quartzite nằm ở mức trung gian giữa granite và đá vôi.
- Báo cáo của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) phân tích cốt liệu từ 11 mỏ đá tại khu vực hành lang Maryland - Virginia, cung cấp cơ sở dữ liệu chi tiết về hệ thống hình ảnh cốt liệu (AIMS), năng lượng bề mặt, mô đun đàn hồi và hệ số giãn nở nhiệt của đá quartzite.
- Nghiên cứu của Hass, Mielenz và Harper cung cấp các luận cứ về nhiệt học: hệ số giãn nở nhiệt của cốt liệu quyết định hệ số giãn nở nhiệt của bê tông (thường dao động từ $5 \times 10^{-6}/^\circ\text{C}$ đến $13 \times 10^{-6}/^\circ\text{C}$); sự chênh lệch giãn nở giữa hồ xi măng và cốt liệu tạo nên ứng suất nội; việc bảo dưỡng ẩm đối với bê tông đá quartzite có vai trò làm giảm trị số hệ số giãn nở nhiệt thực tế.
Về nghiên cứu trong nước:
- Các tài liệu địa chất của Patte (1972), Liên đoàn Bản đồ Địa chất (Đoàn 20A do Phạm Đình Long phụ trách, 1964-1967) và Đoàn Địa chất 29 (1965-1969) đã xác định ranh giới, trữ lượng và cấu trúc 3 vỉa đá quartzite tại mỏ Đồn Vàng, Thục Luyện, Thanh Sơn.
- Giáo trình của GS. Phạm Duy Hữu và cộng sự tại Trường Đại học Giao thông Vận tải phân loại đá quartzite thuộc nhóm đá biến chất nguồn gốc sa thạch silic.
- Luận án của Nguyễn Lộc Kha (2014) khảo sát thành phần khoáng vật cát quartzite nghiền (hàm lượng $\text{SiO}_2$ đạt 98,55%) để chế tạo bê tông cường độ siêu cao (UHPC) từ 120 đến 140 MPa phục vụ kết cấu cầu.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết: Các nghiên cứu trong nước trước đây chỉ dừng lại ở khảo sát địa chất hoặc sử dụng cát quartzite cho bê tông siêu cao trong kết cấu cầu, hoàn toàn chưa có công trình nào đánh giá toàn diện khả năng dùng đá quartzite rắn chắc thay thế toàn bộ cốt liệu thô và mịn cho BTXM mặt đường ô tô. Đặc biệt, khoảng trống về số liệu thực nghiệm hệ số giãn nở nhiệt của BTXM sử dụng đá quartzite tại Việt Nam và phương pháp tính toán ứng suất nhiệt kết hợp kích thước hình học tấm nhằm ngăn ngừa nứt mặt đường theo tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam chính là trọng tâm mà luận án lấp đầy.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Về cơ sở lý thuyết, luận án vận dụng lý thuyết cấu trúc bê tông xi măng ở các cấp độ:
- Cấu trúc vĩ mô: Mô hình cân bằng thể tích tuyệt đối giữa cốt liệu ($V_{cl}$), hồ xi măng ($V_x$) và lỗ rỗng khí ($V_k$) theo công thức $V_{cl} + V_x + V_k = 1$. Khi đầm chặt, thể tích bọt khí chiếm 2-3%.
- Cấu trúc vi mô: Xem xét tương tác giữa khung cốt liệu (cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ xen kẽ) và cấu trúc đá xi măng được hình thành từ quá trình thủy hóa khoáng xi măng.
- Vùng tiếp giáp cốt liệu và đá xi măng (vùng chuyển tiếp mặt tiếp xúc - ITZ): Được xác định là khâu yếu nhất trong cấu trúc chịu lực, nơi tập trung ứng suất nội do co ngót và chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt giữa đá gốc và nền vữa xi măng.
- Lý thuyết nhiệt ứng suất mặt đường: Dựa trên mô hình truyền nhiệt một chiều, cơ chế trao đổi nhiệt giữa bản mặt đường với môi trường qua bức xạ mặt trời, đối lưu không khí, kết hợp lý thuyết biến dạng nhiệt của tấm trên nền đàn hồi theo quy trình QĐ 3230/QĐ-BGTVT và AASHTO.
Về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ phân tích:
- Phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông:
- Phương pháp ACI 211 (Viện Bê tông Hoa Kỳ): Áp dụng nguyên lý thể tích tuyệt đối, lựa chọn lượng nước nhào trộn và hàm lượng bọt khí theo kích thước hạt danh định lớn nhất ($D_{max} = 20\text{ mm}$), xác định lượng cốt liệu lớn theo mô đun độ lớn của cát, tính toán lượng dùng xi măng dựa trên cường độ yêu cầu $R_{yc} = R_b + 8\text{ MPa}$ hoặc thông qua phân tích phương sai thống kê mẫu.
- Phương pháp Bolomey - Skramtaev kết hợp TCVN 9382:2012: Xác định tỷ lệ X/N theo công thức phụ thuộc hệ số chất lượng cốt liệu $A, A'$ và hoạt tính xi măng.
- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm:
- Sử dụng kế hoạch thực nghiệm trực giao bậc 2 nhằm tối ưu hóa thành phần hỗn hợp, thiết lập phương trình hồi quy toán học mô tả ảnh hưởng của tỷ lệ X/N đến 2 hàm mục tiêu: cường độ chịu nén ($y_1$) và cường độ kéo uốn ($y_2$) ở tuổi 28 ngày.
- Phương pháp thí nghiệm cơ lý và nhiệt học:
- Kiểm tra thành phần hạt, độ nén dập, khối lượng thể tích, hàm lượng thoi dẹt, độ hút nước, hàm lượng bụi bùn sét của cốt liệu theo tiêu chuẩn TCVN.
- Kiểm tra cường độ nén (TCVN 3118:1993), cường độ kéo uốn (TCVN 3119:1993), mô đun đàn hồi tĩnh trên mẫu dầm và mẫu lăng trụ.
- Đo độ biến dạng và xác định hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của mẫu bê tông hình trụ theo tiêu chuẩn AASHTO TP 60 (2006) bằng thiết bị đo biến dạng chuyên dụng SDA-830B và máy đo P3 trong điều kiện gia nhiệt và hạ nhiệt tuần hoàn có kiểm soát.
- Phương pháp kiểm toán kết cấu mặt đường:
- Vận dụng phần mềm và thuật toán tính toán ứng suất uốn do tải trọng trục xe kết hợp ứng suất nhiệt uốn vênh (curling stress) theo QĐ 3230/QĐ-BGTVT để đánh giá khả năng chịu lực và tuổi thọ mỏi của tấm BTXM với các kích thước hình học khác nhau.
Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu:
- Toàn bộ mẫu đá quartzite khai thác trực tiếp tại các vỉa đá rắn chắc của mỏ Đồn Vàng, Thục Luyện, Thanh Sơn, Phú Thọ.
- Mẫu xi măng poóc lăng, phụ gia siêu dẻo Sika R-4/SP 1000, cát Sông Lô và đá vôi mỏ Minh Quang được lấy từ các đơn vị cung ứng vật liệu phục vụ giao thông thực tế.
- Các chuỗi số liệu khí hậu, hệ số bức xạ mặt trời, tải trọng tính toán trích xuất từ quy chuẩn kỹ thuật quốc gia và Quyết định 3230/QĐ-BGTVT.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về bê tông xi măng làm đường và sử dụng đá quartzite trong bê tông
Chương này trình bày lịch sử phát triển của mặt đường BTXM trên thế giới và tại Việt Nam, nêu bật cấu tạo và phân loại mặt đường cứng (thông thường có khe nối, có cốt thép, cốt thép liên tục). Tác giả phân tích chi tiết bản chất quá trình hình thành cấu trúc tinh thể của đá xi măng, cấu trúc ba pha của bê tông và vùng tiếp giáp pha.
Chương 1 hệ thống hóa các quy định kỹ thuật đối với hỗn hợp và vật liệu BTXM mặt đường theo Quyết định 1951/QĐ-BGTVT.
| Chỉ tiêu cơ lý |
Công nghệ ván khuôn trượt |
Công nghệ ván khuôn ray / liên hợp |
Công nghệ giản đơn khác |
Phương pháp thử |
| Cường độ kéo uốn thiết kế $R_{tku}^{28}$ (MPa) |
$\ge 5,0$ (Cao tốc, Cấp I, II)
$\ge 4,5$ (Cấp III trở xuống) |
$\ge 5,0$ (Cao tốc, Cấp I, II)
$\ge 4,5$ (Cấp III trở xuống) |
$\ge 5,0$ (Cao tốc, Cấp I, II)
$\ge 4,5$ (Cấp III trở xuống) |
TCVN 3105:1993
TCVN 3119:1993 |
| Độ mài mòn ($g/\text{cm}^2$) |
$\le 0,3$ (Đường cấp I-III)
$\le 0,6$ (Đường cấp IV trở xuống) |
$\le 0,3$ (Đường cấp I-III)
$\le 0,6$ (Đường cấp IV trở xuống) |
$\le 0,3$ (Đường cấp I-III)
$\le 0,6$ (Đường cấp IV trở xuống) |
TCVN 3114:1993 |
| Độ sụt hỗn hợp (mm) |
10 - 20 |
20 - 30 |
20 - 40 |
TCVN 3106:1993 |
Tác giả phân tích hai phương pháp thiết kế thành phần bê tông (ACI 211 và Bolomey - Skramtaev), đồng thời khảo sát đặc điểm tự nhiên của mỏ đá Đồn Vàng, Thục Luyện, Thanh Sơn: diện tích thăm dò 7,89 ha, đỉnh cao nhất 150 m, nằm cạnh tỉnh lộ 316 và sông Bứa. Cấu trúc địa chất mỏ gồm đá phiến thạch anh mica và tầng quartzite dày 150-200 m phân chia làm 3 vỉa. Luận án phân tích chất lượng của hai loại đá: quartzite phong hóa (hàm lượng $\text{SiO}_2$ trung bình 96,90%, $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 0,28%) và quartzite rắn chắc ($\text{SiO}_2$ đạt 96,68%, $\text{Al}_2\text{O}_3$ 1,11%, tỷ lệ hút nước 0,97%, nhiệt độ chịu lửa trên 1730°C). Luận án xác định lựa chọn loại quartzite rắn chắc thay thế hoàn toàn cốt liệu cho BTXM mặt đường.
Chương 2: Nghiên cứu đặc tính cốt liệu đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ và các vật liệu khác
Chương 2 tập trung khảo sát công nghệ khai thác mỏ bằng phương pháp nổ mìn bốc phủ lớp đất đá vây quanh, vận chuyển về trạm chế biến nghiền sàng nhiều công đoạn để tạo ra sản phẩm đá dăm 5x20 mm và cát nghiền nhân tạo quartzite.
Tác giả công bố bảng kết quả phân tích thành phần hóa học toàn phần của đá quartzite Thanh Sơn: hàm lượng $\text{SiO}_2$ chiếm tỷ trọng tuyệt đối 98,55%, $\text{Al}_2\text{O}_3$ chiếm 0,32%, $\text{Fe}_2\text{O}_3$ chiếm 0,10%, các oxit bazơ như $\text{CaO}$ (0,05%), $\text{MgO}$ (0,02%), $\text{Na}_2\text{O}$ (0,03%), $\text{K}_2\text{O}$ (0,09%) đều ở mức rất thấp, không chứa $\text{SO}_3$.
Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu lớn đá quartzite 5x20 mm và cát quartzite được đối chứng trực tiếp với đá vôi mỏ Minh Quang và cát Sông Lô:
- Cốt liệu lớn đá quartzite: Khối lượng thể tích xốp đạt yêu cầu, độ nén dập trong xi lanh ở trạng thái khô và bão hòa thấp, hệ số hóa mềm cao phản ánh tính kháng nước tốt; cường độ nén của đá gốc vượt trội; hàm lượng hạt thoi dẹt và bụi bùn sét nằm trong ngưỡng cho phép của QĐ 1951/QĐ-BGTVT.
- Cốt liệu nhỏ cát quartzite: Mô đun độ lớn nằm trong dải 2,2 - 3,5, thành phần hạt liên tục, lượng bột mịn sau nghiền hợp lý giúp lấp đầy lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông.
- Vật liệu chất kết dính: Sử dụng xi măng poóc lăng đạt các tiêu chuẩn cơ lý của xi măng làm đường ô tô.
Chương 3: Thiết kế thành phần bê tông xi măng làm mặt đường ô tô sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ và xác định cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi
Chương 3 áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao để nghiên cứu định lượng mức độ ảnh hưởng của tỷ lệ xi măng/nước (X/N) và tỷ lệ đá/cát (D/C) tới các đặc tính cơ học của hỗn hợp BTXM.
Tác giả thiết lập được 2 phương trình hồi quy mô tả tương quan giữa hàm mục tiêu cường độ với biến số tỷ lệ X/N:
- Cường độ chịu nén 28 ngày ($y_1$, đơn vị MPa):
$$y_1 = 19,19 (X/N)^2 - 5,62 (X/N) + \dots$$
- Cường độ kéo uốn 28 ngày ($y_2$, đơn vị MPa):
$$y_2 = (X/N)^2 - 2,77 (X/N) + \dots$$
Dựa trên kết quả quy hoạch thực nghiệm và tính toán theo tiêu chuẩn ACI 211, tác giả xác định thành phần cấp phối tối ưu cho BTXM mác cấp 40 sử dụng cốt liệu đá quartzite và cấp phối đối chứng sử dụng đá vôi. Các lô hỗn hợp được đúc mẫu, bảo dưỡng chuẩn và thí nghiệm kiểm chứng tại các mốc tuổi 3, 7, 14 và 28 ngày. Kết quả đo đạc khẳng định:
- Hỗn hợp BTXM cốt liệu đá quartzite có độ sụt đạt từ 20 đến 40 mm, đáp ứng công nghệ thi công mặt đường bằng ván khuôn ray hoặc thủ công.
- Cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày của BTXM đá quartzite đạt trên 50 MPa.
- Cường độ chịu kéo uốn ở tuổi 28 ngày đạt trên 5,0 MPa, vượt yêu cầu quy định đối với mặt đường ô tô cấp cao ($R_{tku} \ge 4,5 - 5,0\text{ MPa}$).
- Mô đun đàn hồi tĩnh của bê tông đá quartzite đạt giá trị cao hơn so với mẫu đối chứng đá vôi, phản ánh độ cứng và khả năng chịu tải của khung cốt liệu quartzite.
Chương 4: Nghiên cứu hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng, nghiên cứu hiệu quả kinh tế kỹ thuật của mặt đường bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ
Chương 4 là phần đóng góp cốt lõi của luận án, tập trung giải quyết bài toán nhiệt học và kiểm toán kết cấu mặt đường.
Sử dụng thiết bị đo biến dạng SDA-830B theo quy trình AASHTO TP 60 (2006), tác giả xác định hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của mẫu bê tông hình trụ ở các mốc ngày tuổi:
| Ngày tuổi mẫu |
Hệ số giãn nở nhiệt BTXM đá quartzite ($10^{-6}/^\circ\text{C}$) |
Hệ số giãn nở nhiệt BTXM đá vôi ($10^{-6}/^\circ\text{C}$) |
Tỷ lệ chênh lệch CTE giữa hai loại BTXM (%) |
| 3 ngày |
11,1925 |
7,4791 |
+49,65 |
| 7 ngày |
11,2248 |
7,3830 |
+52,03 |
| 14 ngày |
11,2200 |
7,3996 |
+51,63 |
| 28 ngày |
11,1819 |
7,4132 |
+50,84 |
Số liệu thực nghiệm cho thấy hệ số giãn nở nhiệt của bê tông cốt liệu đá quartzite ổn định quanh ngưỡng $11,2 \times 10^{-6}/^\circ\text{C}$, cao hơn bê tông đá vôi (xấp xỉ $7,4 \times 10^{-6}/^\circ\text{C}$) khoảng 50%.
Trên cơ sở thông số CTE thực đo, tác giả tiến hành mô hình hóa và kiểm toán tấm mặt đường BTXM kích thước thông thường ($4,5\text{ m} \times 3,5\text{ m} \times 0,25\text{ m}$) và tấm điều chỉnh ($4,0\text{ m} \times 3,5\text{ m} \times 0,25\text{ m}$) theo tiêu chuẩn QĐ 3230/QĐ-BGTVT:
- Khi thiết kế cùng tỷ lệ cấp phối, bê tông cốt liệu đá quartzite tăng nhẹ cường độ chịu kéo uốn (tăng 1,1%), nhưng ứng suất nhiệt lớn nhất trong tấm lại tăng vọt 33,59% so với bê tông đá vôi do hệ số CTE lớn.
- Tỷ lệ chênh lệch nguy cơ gây nứt mặt tấm của bê tông đá quartzite cao hơn bê tông đá vôi là 5,41%.
- Để đảm bảo an toàn chịu lực dưới tác động đồng thời của tải trọng xe và gradient nhiệt độ, chiều dài tấm BTXM đá quartzite cần được rút ngắn. Tác giả kiến nghị kích thước chiều dài tấm BTXM cốt liệu đá quartzite tối ưu là 3,8 m (so với mức 4,5 - 5,0 m của đá vôi).
- Về hiệu quả kinh tế: Do khai thác nguồn mỏ tại chỗ, giảm cự ly vận chuyển đá vôi từ Vĩnh Phúc hay cát từ sông Lô, đơn giá vật liệu cho $1\text{ m}^3$ BTXM cốt liệu quartzite Thanh Sơn giảm đáng kể, đem lại hiệu quả tổng hợp cho các dự án xây dựng đường tại Phú Thọ và vùng Tây Bắc.
Kết quả và những đóng góp mới
Các kết quả và đóng góp mới của luận án được tổng hợp từ văn bản như sau:
- Về mặt khoa học vật liệu: Luận án đã xác lập một cách hệ thống cơ sở dữ liệu về thành phần hóa học (hàm lượng thạch anh $\text{SiO}_2$ đạt 98,55%), tính chất cơ lý và độ bền của đá quartzite rắn chắc mỏ Đồn Vàng, Thanh Sơn; chứng minh loại đá này thỏa mãn đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật làm cốt liệu thô và cốt liệu mịn cho BTXM mặt đường ô tô theo Quyết định 1951/QĐ-BGTVT.
- Về mặt mô hình hóa thực nghiệm: Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, tác giả đã thiết lập được 2 phương trình hồi quy phản ánh định lượng mối quan hệ giữa biến số tỷ lệ X/N với cường độ chịu nén và cường độ kéo uốn ở tuổi 28 ngày của BTXM đá quartzite, làm công cụ tính toán tỷ lệ thành phần cấp phối.
- Về mặt nhiệt học công trình: Lần đầu tiên tại Việt Nam, luận án xác định bằng thực nghiệm theo chuẩn AASHTO TP 60 trên thiết bị SDA-830B trị số hệ số giãn nở nhiệt của BTXM cốt liệu quartzite qua các mốc 3, 7, 14, 28 ngày tuổi (đạt giá trị trung bình $11,1819 - 11,2248 \times 10^{-6}/^\circ\text{C}$), chỉ ra trị số này cao hơn bê tông đá vôi xấp xỉ 50%.
- Về mặt kết cấu và thiết kế mặt đường: Luận án đã tính toán, làm rõ ứng xử cơ học của tấm mặt đường BTXM sử dụng đá quartzite: cường độ kéo uốn tăng 1,1% nhưng ứng suất nhiệt lớn nhất tăng tới 33,59%, dẫn đến nguy cơ nứt tấm cao hơn 5,41% so với đá vôi. Từ đó, tác giả đưa ra giải pháp kỹ thuật có tính thực tiễn cao: đề xuất giảm chiều dài tấm mặt đường BTXM cốt liệu đá quartzite xuống còn 3,8 m để triệt tiêu nguy cơ nứt mỏi do ứng suất nhiệt.
- Về mặt kinh tế - kỹ thuật: Chứng minh việc tận dụng mỏ đá quartzite địa phương thay thế cốt liệu vận chuyển xa giúp hạ giá thành sản xuất bê tông, đồng thời đáp ứng tốt các chỉ tiêu kỹ thuật của mặt đường ô tô cấp nặng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu được tác giả nêu trong văn bản gồm:
- Luận án mới chỉ khảo sát phương án thay thế hoàn toàn 100% cốt liệu lớn và 100% cốt liệu nhỏ bằng đá quartzite rắn chắc nhằm mục đích đánh giá điều kiện biên bất lợi nhất về nhiệt; chưa khảo sát các phương án thay thế bán phần (kết hợp đá quartzite với các nguồn cát hoặc đá khác).
- Nghiên cứu chưa đi sâu vào nhóm đá quartzite phong hóa. Loại đá phong hóa có cường độ thấp hơn hiện mới chỉ được định hướng cho các lớp móng đường mà chưa có số liệu thực nghiệm đầy đủ trong khuôn khổ luận án này.
Các hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:
- Tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm các phương án cấp phối thay thế một phần cốt liệu trong hỗn hợp bê tông xi măng (kết hợp đá dăm quartzite với cát tự nhiên hoặc đá vôi) nhằm dung hòa hệ số giãn nở nhiệt và tối ưu hóa tính công tác.
- Mở rộng nghiên cứu khả năng gia cố đá quartzite phong hóa bằng xi măng hoặc vôi để làm vật liệu lớp móng đường giao thông.
- Nghiên cứu sâu hơn các giải pháp bảo dưỡng ẩm tại hiện trường cho mặt đường BTXM sử dụng đá quartzite nhằm hạn chế tối đa sự phát triển ứng suất nhiệt ở giai đoạn tuổi sớm.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cụ thể đối với:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Xây dựng đường ô tô, Vật liệu xây dựng tại các trường đại học khối kỹ thuật giao thông: Tham khảo quy trình thiết kế hỗn hợp theo ACI 211, phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phương pháp đo hệ số giãn nở nhiệt theo AASHTO TP 60 trên thiết bị SDA-830B.
- Các kỹ sư thiết kế công trình giao thông và cơ quan quản lý dự án tại khu vực Tây Bắc (Phú Thọ, Lào Cai, Yên Bái): Tham khảo thông số tính toán kết cấu tấm BTXM, đặc biệt là thông số chiều dài tấm điều chỉnh (3,8 m) khi sử dụng cốt liệu có nguồn gốc từ đá quartzite để tránh nứt gãy mặt đường.
- Các doanh nghiệp khai thác mỏ và trạm trộn bê tông: Sử dụng quy trình công nghệ chế biến đá dăm 5x20 mm và cát nghiền từ đá quartzite để sản xuất vật liệu thương phẩm phục vụ xây dựng hạ tầng giao thông địa phương.
Câu hỏi thường gặp
1. Đá quartzite rắn chắc tại mỏ Đồn Vàng (Thanh Sơn, Phú Thọ) có thành phần khoáng vật và đặc tính cơ lý nổi bật nào?
Theo kết quả phân tích toàn phần trong luận án, đá quartzite rắn chắc Thanh Sơn có hàm lượng thạch anh ($\text{SiO}_2$) chiếm tới 98,55%, hàm lượng oxit sắt $\text{Fe}_2\text{O}_3$ là 0,10% và nhôm $\text{Al}_2\text{O}_3$ là 0,32%. Cốt liệu đá có tỷ lệ hút nước thấp (0,97%), nhiệt độ chịu lửa trên 1730°C, cường độ chịu nén của đá gốc cao, độ nén dập trong xi lanh nhỏ và hệ số hóa mềm cao, đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật của cốt liệu bê tông mặt đường theo Quyết định 1951/QĐ-BGTVT.
2. Sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) giữa bê tông đá quartzite và bê tông đá vôi là bao nhiêu?
Kết quả đo thực nghiệm bằng máy SDA-830B theo tiêu chuẩn AASHTO TP 60 (2006) cho thấy: ở tuổi 28 ngày, hệ số giãn nở nhiệt của BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite đạt $11,1819 \times 10^{-6}/^\circ\text{C}$, trong khi BTXM sử dụng cốt liệu đá vôi mỏ Minh Quang chỉ đạt $7,4132 \times 10^{-6}/^\circ\text{C}$. Trị số CTE của bê tông đá quartzite cao hơn bê tông đá vôi khoảng 50,84%.
3. Tại sao bê tông sử dụng đá quartzite làm tăng nguy cơ nứt tấm mặt đường và kích thước tấm cần điều chỉnh thế nào?
Do hệ số giãn nở nhiệt của cốt liệu đá quartzite rất cao dẫn tới hệ số giãn nở nhiệt của BTXM tăng lên, làm cho ứng suất nhiệt lớn nhất sinh ra trong tấm bê tông dưới tác động của biến thiên nhiệt độ tăng thêm 33,59% (trong khi cường độ chịu kéo uốn của bê tông chỉ tăng 1,1%). Hệ quả là tỷ lệ chênh lệch gây nứt mặt tấm của bê tông đá quartzite cao hơn đá vôi 5,41%. Để giải quyết nguy cơ này, luận án khuyến nghị giảm kích thước chiều dài tấm BTXM sử dụng đá quartzite xuống còn 3,8 m (thay vì 4,0 m hoặc 4,5 m như tấm bê tông đá vôi thông thường).
4. Hai phương trình hồi quy xác định mối quan hệ giữa tỷ lệ X/N với cường độ bê tông đá quartzite có dạng như thế nào?
Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc 2, tác giả đã tìm ra hai phương trình hồi quy mô tả tương quan giữa biến tỷ lệ xi măng/nước (X/N) với hàm cường độ chịu nén ($y_1$) và cường độ kéo uốn ($y_2$) ở tuổi 28 ngày:
$$y_1 = 19,19 (X/N)^2 - 5,62 (X/N) + \dots$$
$$y_2 = (X/N)^2 - 2,77 (X/N) + \dots$$
5. Cấp phối bê tông đá quartzite thiết kế trong luận án đạt các chỉ tiêu cường độ thực nghiệm nào ở tuổi 28 ngày?
Hỗn hợp BTXM cấp 40 sử dụng 100% đá dăm và cát quartzite Thanh Sơn đạt độ sụt 20-40 mm, cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày vượt trên 50 MPa và cường độ chịu kéo uốn đạt trên 5,0 MPa, thỏa mãn hoàn toàn quy định về cường độ kéo uốn đối với mặt đường ô tô cấp cao theo Quyết định 1951/QĐ-BGTVT ($R_{tku} \ge 4,5 - 5,0\text{ MPa}$).
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Ngô Hoài Thanh đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán kỹ thuật về việc sử dụng cốt liệu đá quartzite mỏ Đồn Vàng, Thanh Sơn, Phú Thọ để chế tạo bê tông xi măng làm mặt đường ô tô. Công trình đã cung cấp đầy đủ các căn cứ khoa học từ đặc tính khoáng vật, cấp phối tối ưu theo phương pháp ACI 211 và quy hoạch thực nghiệm, đến các chỉ tiêu cơ lý chịu nén và kéo uốn đạt chuẩn đường cấp cao. Đóng góp nổi bật của luận án là xác định thực nghiệm hệ số giãn nở nhiệt của bê tông đá quartzite theo tiêu chuẩn AASHTO TP 60 và chứng minh sự gia tăng ứng suất nhiệt trong kết cấu, từ đó đưa ra kiến nghị thiết kế giảm chiều dài tấm mặt đường xuống 3,8 m nhằm triệt tiêu nguy cơ nứt vỡ. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của việc tận dụng nguồn khoáng sản địa phương phục vụ phát triển hạ tầng giao thông khu vực miền núi phía Bắc.
