Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Khai thác than là ngành công nghiệp năng lượng quan trọng tại Việt Nam, tập trung chủ yếu ở tỉnh Quảng Ninh với tỷ lệ chiếm 67% trữ lượng toàn quốc, trong đó khu vực Cẩm Phả – Cửa Ông có trữ lượng lớn nhất. Hoạt động khai thác than tại đây chủ yếu áp dụng phương pháp lộ thiên, đòi hỏi bóc tách từ 8 đến 12 $\text{m}^3$ đất đá thải để thu được 1 $\text{m}^3$ than sạch. Tính đến hết năm 2012, khối lượng đất đá thải tích lũy tại khu vực Cẩm Phả đã đạt khoảng 3,7 tỷ $\text{m}^3$ và giai đoạn 2013–2020 phát sinh thêm khoảng 1,9 tỷ $\text{m}^3$.

Sự tích tụ của các bãi thải chất cao từ 60 m đến 250 m so với mực nước biển gây ra nguy cơ xói mòn, sạt lở, ô nhiễm bụi không khí và bồi lắng hệ thống thoát nước khi có mưa lũ. Trong khi đó, nguồn vật liệu tự nhiên phục vụ xây dựng công trình giao thông ngày càng cạn kiệt. Mặc dù một số nghiên cứu trước đó đã bước đầu khảo sát việc dùng đất đá mỏ làm vật liệu san lấp hoặc đường tạm, song việc nghiên cứu bài bản từ tính chất cơ lý, cấp phối xử lý, hiệu quả gia cố xi măng đến thử nghiệm hiện trường và tính toán kết cấu áo đường tiêu chuẩn vẫn chưa được giải quyết đầy đủ. Do đó, đề tài "Nghiên cứu sử dụng đất đá thải từ các mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh làm đường ô tô" được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống kỹ thuật này.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Đánh giá, phân loại vật liệu đất, đá thải mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh thông qua khảo sát và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ, lý, hóa trong phòng thí nghiệm.
  2. Phân tích, đánh giá và đề xuất sử dụng đất, đá thải mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh trong xây dựng nền, móng đường ô tô.
  3. Phân tích, đánh giá khả năng sử dụng đất, đá thải mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh gia cố xi măng dùng trong xây dựng móng đường ô tô thông qua thử nghiệm trong phòng và hiện trường; đề xuất các loại kết cấu áo đường và công nghệ thi công lớp vật liệu đất, đá thải gia cố xi măng.

Câu hỏi và nội dung nghiên cứu

Luận án triển khai 4 nội dung nghiên cứu chính:

  1. Tổng quan tình hình nghiên cứu và sử dụng đất đá thải mỏ than trong xây dựng nền móng đường ô tô trên thế giới và tại Việt Nam; phân tích các quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.
  2. Khảo sát, thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý, thành phần khoáng hóa, thành phần hạt của đất đá thải tại bãi thải Đông Cao Sơn; đề xuất 02 loại cấp phối vật liệu (A-ĐCS và AB-ĐCS) dùng làm móng đường ô tô.
  3. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thí nghiệm trong phòng hỗn hợp cấp phối đất đá thải gia cố xi măng ở các tỷ lệ khác nhau (4%, 5%, 6%); phân tích thống kê đánh giá sự phát triển cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ và mô đun đàn hồi.
  4. Xây dựng đoạn đường thử nghiệm hiện trường có kết cấu móng dưới bằng cấp phối đất đá thải không gia cố và móng trên bằng cấp phối đất đá thải gia cố xi măng; quan sát nứt co ngót, kiểm tra nghiệm thu độ chặt, mô đun đàn hồi và khoan mẫu hiện trường; đề xuất các sơ đồ kết cấu áo đường, công nghệ gia công và thi công.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Đất, đá thải mỏ than tại khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh (trọng tâm là bãi thải Đông Cao Sơn) ở trạng thái không gia cố hoặc gia cố bằng chất kết dính xi măng, sử dụng làm vật liệu nền và móng kết cấu mặt đường ô tô, mặt đường giao thông nông thôn (GTNT).
  • Phạm vi không gian: Khảo sát, lấy mẫu đại diện tại bãi thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh; thí nghiệm tại phòng thí nghiệm LAS-XD 72 và TECO2; thi công thử nghiệm thực tế tại mặt bằng Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải.
  • Phạm vi thời gian: Dữ liệu khảo sát mỏ than tích lũy đến năm 2012, định hướng quy hoạch giai đoạn 2013–2020; các thí nghiệm và theo dõi đoạn đường thử nghiệm được thực hiện và hoàn thành đánh giá đến tháng 10 năm 2018 (luận án bảo vệ năm 2019).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Việc sử dụng đất đá lẫn phế thải khai mỏ (Rock Fill / Rock Embankment) trong xây dựng công trình giao thông đã được chuẩn hóa trong nhiều quy định kỹ thuật quốc tế:

  • Nam Phi (1982): Chỉ dẫn kỹ thuật cho phép sử dụng đá, đất lẫn sỏi sạn, xỉ than, clinker để đắp nền đường với yêu cầu chiều dày lớp đắp bằng 2/3 kích cỡ hạt lớn nhất và bổ sung hạt mịn hoặc rải lớp quá độ dày 50 cm lên trên nhằm tránh rỗng lọt vật liệu móng.
  • Mỹ: Tiêu chuẩn quy định đất đá thải đắp nền đường (mục 201.36 Rock Embankments) quy định vật liệu chứa hơn 15% đá kích cỡ trên 150 mm, chiều dày rải không quá 70 cm và phủ lớp đệm hạt mịn 50 cm. Sở GTVT bang Washington (WSDOT) định nghĩa đá thải là vật liệu chứa trên 25% hạt kích cỡ $\ge 100\text{ mm}$ (4 inch), yêu cầu đầm nén bằng lu rung tần số $\ge 1000\text{ lần/phút}$ hoặc lu tĩnh 50 tấn và phủ lớp đất dày tối thiểu 15 cm phía trên.
  • Vương quốc Anh (1986): Tiêu chuẩn của Bộ Giao thông Anh phân loại vật liệu đắp nền thành nhóm đá-sỏi sạn 1C và đá thải kích thước lớn 6B với các ràng buộc về lượng lọt qua sàng 500 mm, 125 mm, 0,063 mm và hệ số đồng đều $C_u \ge 5$.
  • Úc: Ứng dụng đá thải kích cỡ hạt lên tới trên 300 mm từ công tác đào nền để đắp nền đường cao tốc Bulahdelah – Coolongolook dài 22 km với chiều cao đắp lên tới 24 m.

Các nghiên cứu và tiêu chuẩn kỹ thuật tại Việt Nam

Tại Việt Nam, các quy định kỹ thuật và công trình liên quan gồm:

  • Tiêu chuẩn thiết kế và thi công nền móng: Tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 (thiết kế áo đường mềm), TCVN 8857:2011 (cấp phối thiên nhiên), TCVN 8858:2011 (cấp phối đá dăm và cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng), TCVN 8859:2011 (cấp phối đá dăm), TCVN 10379:2014 (gia cố đất bằng chất kết dính vô cơ). Các tiêu chuẩn này cho phép dùng đất lẫn đá, phế thải công nghiệp làm nền móng nhưng yêu cầu khống chế chặt chẽ về thành phần hạt, độ hao mòn Los Angeles ($LA$), chỉ số dẻo ($I_p \le 6$ hoặc $\le 12$) và hàm lượng hữu cơ ($\le 6%$), muối sunfat ($\le 2%$).
  • Đề án MT 103005 (Viện KHCN GTVT): Nghiên cứu xử lý, tái sử dụng 150 $\text{m}^3$ chất thải rắn xây dựng gia cố xi măng làm móng cho 100 m đường giao thông nông thôn tại Hà Nội.
  • Đề tài cấp Bộ mã số 124002 (Viện KHCN GTVT) và Dự thảo Tiêu chuẩn cơ sở 2018: Đề xuất quy trình công nghệ đắp đá và đá lẫn đất với $D_{\max} \le 150\text{ mm}$ (hoặc tới 500 mm cho thân nền), quy định vùng tác dụng 40 cm trên cùng phải có lớp quá độ kín khít.
  • Luận văn của Vũ Vinh (2013): Khảo sát 4 bãi thải vùng Quảng Ninh (Đông Cao Sơn, Bàng Nâu, Nam Khe Tam, Đông Khe Sim) và thí nghiệm cơ lý mẫu đất đá tại bãi thải Nam Khe Tam, định hướng sơ bộ dùng làm nền và móng đường nội bộ.
  • Nghiên cứu của Đàm Văn Tuấn (2014): Nghiên cứu sử dụng đất đá thải làm móng, mặt đường ô tô tại tỉnh Hà Nam.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trước đây tại Việt Nam chủ yếu dừng lại ở việc dùng đất đá thải để đắp nền thông thường hoặc khảo sát định tính sơ bộ tại một số mỏ riêng lẻ. Luận án đi sâu vào bãi thải lớn nhất vùng than Quảng Ninh (Đông Cao Sơn), xây dựng quy trình chế bị ra 02 loại cấp phối hạt chuyên biệt (A-ĐCS và AB-ĐCS bao gồm cả thành phần đất nguyên khai), nghiên cứu cơ chế và các chỉ tiêu cơ lý khi gia cố xi măng bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm (DoE, ANOVA-Tukey), đồng thời kiểm chứng bằng mô hình đường thử nghiệm thực tế chịu tải trọng xe nặng và đề xuất kết cấu áo đường tiêu chuẩn kèm giải pháp chống nứt co ngót.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết về gia cố đất đá bằng chất kết dính vô cơ

  • Bản chất vật liệu nửa cứng: Hỗn hợp cấp phối đất đá thải khi trộn với xi măng và nước, qua quá trình lu lèn chặt, sẽ hình thành cấu trúc tinh thể liên kết hóa lý (thủy hóa xi măng tạo ra hydrosilicate canxi, hydroaluminate canxi). Vật liệu chuyển sang trạng thái nửa cứng, có khả năng chịu ứng suất kéo khi uốn, không có tính xúc biến và cường độ tăng dần theo thời gian, ít phụ thuộc vào điều kiện ẩm ướt môi trường.
  • Yêu cầu đối với thành phần khoáng và môi trường: Phản ứng thủy hóa chịu chi phối bởi tỷ lệ các oxide $\text{SiO}_2$, $\text{Al}_2\text{O}_3$ và $\text{CaO}$. Độ pH môi trường phải thích hợp (nếu đất chua $\text{pH} < 4,0$ cần trung hòa bằng vôi), hàm lượng muối sunfat trong đất không vượt quá 2% và hàm lượng hữu cơ không quá 6% để không cản trở quá trình ninh kết của xi măng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích lý thuyết: Tổng hợp cơ sở cơ học đất đá, cơ học vật liệu hạt và lý thuyết áo đường nhiều lớp đàn hồi theo 22 TCN 211-06 và 22 TCN 274-01.
  • Phương pháp thực nghiệm trong phòng (Laboratory testing):
    • Khảo sát thành phần khoáng hóa bằng phân tích thạch học/hóa học.
    • Sàng phân tích thành phần hạt theo TCVN.
    • Thí nghiệm cơ lý đá gốc: cường độ nén một trục khô và bão hòa, hệ số hóa mềm, độ hao mòn va đập Los Angeles ($LA$).
    • Thí nghiệm cơ lý phần đất mịn: giới hạn dẻo ($W_P$), giới hạn chảy ($W_L$), chỉ số dẻo ($I_p$), đầm nén tiêu chuẩn (Proctor) xác định độ ẩm tối ưu và dung trọng khô lớn nhất, thí nghiệm sức chịu tải California ($CBR$).
    • Thí nghiệm mẫu hỗn hợp gia cố xi măng: cường độ nén một trục ($R_n$), cường độ nén ép chẻ ($R_{ech}$) ở các ngày tuổi (7, 14, 28 ngày) và mô đun đàn hồi tĩnh ($E_{dh}$).
  • Phương pháp xác suất thống kê và quy hoạch thực nghiệm:
    • Ứng dụng thiết kế thí nghiệm (DoE), phân tích phương sai ANOVA và kiểm định hậu định Tukey để đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ xi măng, loại cấp phối đến các chỉ tiêu cường độ.
    • Đánh giá và loại trừ sai số ngoại lai, kiểm tra phân phối chuẩn (Normal probability plot) và biểu đồ phần dư (Residual plots) để đảm bảo độ tin cậy và độ chụm của số liệu.
  • Phương pháp thực nghiệm hiện trường: Thi công đoạn đường thử nghiệm tỷ lệ thực, kiểm tra độ chặt lu lèn bằng rót cát, đo mô đun đàn hồi bằng cần Benkelman/ép đĩa tải tĩnh, quan trắc biến dạng nứt mặt đường và khoan mẫu trụ $\Phi 150\text{ mm}$ để thí nghiệm nén, ép chẻ đối chứng.
  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế kết cấu: Tính toán chiều dày các lớp áo đường cho các cấp giao thông theo tiêu chuẩn Việt Nam kết hợp tham chiếu chỉ dẫn của AASHTO, cơ sở dữ liệu khí hậu MERRA-2 và mác nhựa PG theo SHRP/LTPP.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Mẫu đất đá thải thu thập tại bãi thải Đông Cao Sơn (Cẩm Phả, Quảng Ninh) thuộc quyền quản lý của Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam (Vinacomin).
  • Đất đắp nền bổ sung từ mỏ Minh Quang.
  • Trạm trộn bê tông Sông Hồng 6 cung cấp hỗn hợp gia cố theo cấp phối thiết kế.
  • Đoạn đường thử nghiệm thực tế phục vụ vận chuyển vật liệu xây dựng Giảng đường A3 tại Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các kết quả nghiên cứu sử dụng đất, đá thải mỏ than trong xây dựng đường ô tô

Chương này phân tích tổng quan về hiện trạng khai thác than và khối lượng phát thải đất đá tại Việt Nam cũng như trên thế giới. Tác giả chỉ ra rằng tại vùng than Cẩm Phả, 4 bãi thải lớn gồm Đông Cao Sơn, Bàng Nâu, Nam Khe Tam và Đông Khe Sim tiếp nhận trên 94% tổng lượng đất đá thải toàn vùng. Trong đó, bãi thải Đông Cao Sơn có dung tích thiết kế ban đầu 359,1 triệu $\text{m}^3$ (diện tích 280 ha), phục vụ đổ thải cho 3 mỏ lộ thiên lớn là Cao Sơn, Cọc Sáu và Đèo Nai.

Chương 1 tổng hợp các quy định kỹ thuật về đắp đá (Rock Embankment) của Nam Phi, Mỹ (WSDOT, mục 201.36), Anh, Úc; điểm lại các công trình thí điểm đắp đá thải tại Việt Nam như gói thầu A8 Cao tốc Hà Nội – Lào Cai, Quốc lộ 1A đoạn Phủ Lý – Cầu Đoan Vĩ. Qua việc phân tích các tiêu chuẩn 22 TCN 211-06, TCVN 8857:2011, TCVN 8858:2011, TCVN 10379:2014, tác giả xác lập luận điểm: Đất đá thải mỏ than hoàn toàn có thể tuyển chọn, gia công nghiền sàng để chế bị thành các cấp phối làm móng đường và gia cố xi măng thay thế vật liệu truyền thống.

Chỉ tiêu kỹ thuật tổng quan Yêu cầu theo tiêu chuẩn hiện hành cho lớp móng gia cố xi măng
Độ hao mòn Los Angeles ($LA$) của cốt liệu $\le 35%$ (móng trên), $\le 45%$ (móng dưới)
Chỉ số dẻo ($I_p$) của phần lọt sàng 0,425 mm $\le 6%$ (CPĐD), $\le 12%$ (CPTN)
Hàm lượng tạp chất hữu cơ $\le 2%$
Hàm lượng muối sunfat $\le 0,25%$ (đối với cốt liệu móng), $\le 2%$ (đối với đất gia cố)
Tỷ lệ hạt thoi dẹt $\le 18%$

Chương 2: Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng và đề xuất sử dụng đất, đá thải mỏ than Quảng Ninh làm vật liệu xây dựng kết cấu mặt đường ô tô

Chương 2 trình bày toàn bộ kết quả khảo sát thực địa và thí nghiệm trong phòng đối với đất đá thải bãi Đông Cao Sơn:

  • Thành phần khoáng hóa và thạch học: Đá thải chủ yếu là đá trầm tích gồm cát kết, bột kết, sét kết, cuội sạn kết và các vỉa carbonat. Cường độ đá gốc biến thiên từ thấp đến trung bình, phần đất phủ bề mặt lẫn vào chiếm tỷ lệ khoảng 10%.
  • Đặc tính phân bố cỡ hạt tự nhiên: Tại bề mặt bãi thải xuống sâu 1,5 m, hạt mịn kích cỡ $< 15\text{ mm}$ chiếm 40–50%; sườn bãi thải tập trung hạt lớn $> 500\text{ mm}$ chiếm trên 60%; chân bãi thải có nhiều đá tảng kích thước $> 800\text{ mm}$.
  • Đề xuất 02 nhóm cấp phối vật liệu:
    1. Cấp phối đá dăm nhóm A-ĐCS: Được sản xuất từ việc nghiền sàng các hạt đá thải có kích thước $\ge 50\text{ mm}$ sau khi đã loại bỏ thành phần hạt mịn $< 50\text{ mm}$.
    2. Cấp phối đá dăm nhóm AB-ĐCS: Được sản xuất từ toàn bộ khối đất đá thải nguyên khai tại bãi thải (bao gồm cả đá và thành phần đất tự nhiên).
Chỉ tiêu thí nghiệm cơ bản Cấp phối A-ĐCS Cấp phối AB-ĐCS
Kích thước hạt danh định lớn nhất ($D_{\max}$) 37,5 mm hoặc 31,5 mm 37,5 mm
Độ hao mòn Los Angeles ($LA$) Thỏa mãn yêu cầu lớp móng Thỏa mãn yêu cầu lớp móng
Chỉ số dẻo ($I_p$) Thấp, đáp ứng tiêu chuẩn CPĐD Đạt yêu cầu kiểm soát dẻo
Trị số $CBR$ ngâm nước 4 ngày Đạt yêu cầu làm lớp móng dưới Đạt yêu cầu làm lớp móng dưới
Cường độ chịu nén 14 ngày gia cố 4% xi măng $R_{n14} \approx 3,0 - 4,5\text{ MPa}$ $R_{n14} \approx 2,5 - 3,8\text{ MPa}$
Cường độ chịu nén 14 ngày gia cố 6% xi măng $R_{n14} \approx 5,0 - 6,5\text{ MPa}$ $R_{n14} \approx 4,2 - 5,5\text{ MPa}$
Cường độ ép chẻ 14 ngày gia cố xi măng $R_{ech14} \approx 0,40 - 0,65\text{ MPa}$ $R_{ech14} \approx 0,35 - 0,55\text{ MPa}$
Mô đun đàn hồi tĩnh ($E_{dh}$) Cao hơn AB-ĐCS từ 10–15% Đạt yêu cầu tính toán kết cấu

Kết quả phân tích phương sai ANOVA và kiểm định Tukey khẳng định hàm lượng xi măng (4%, 5%, 6%) có ảnh hưởng quyết định có ý nghĩa thống kê đến sự gia tăng cường độ nén $R_n$ và kéo khi ép chẻ $R_{ech}$. Cấp phối AB-ĐCS tuy có cường độ thấp hơn A-ĐCS đôi chút nhưng tận dụng được toàn bộ đất đá thải nguyên khai, giúp giảm chi phí sàng tuyển mà vẫn hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật làm móng đường ô tô.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường với kết cấu mặt đường sử dụng đất, đá thải mỏ than Quảng Ninh gia cố xi măng

Chương 3 triển khai xây dựng đoạn đường thử nghiệm thực tế tại Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải để phục vụ đoàn xe tải nặng vận chuyển vật tư thi công khối nhà Giảng đường A3.

+-------------------------------------------------------------+
| Lớp mặt: Đá dăm láng nhựa dày 3,5 cm (tiêu chuẩn 4,5 kg/m2) |
+-------------------------------------------------------------+
| Lớp móng trên: Cấp phối AB-ĐCS gia cố xi măng dày 16 cm     |
+-------------------------------------------------------------+
| Lớp móng dưới: Cấp phối AB-ĐCS không gia cố dày 18 cm       |
+-------------------------------------------------------------+
| Nền đường: Đất đầm chặt K98 (đáy áo đường) / nền đất K95    |
+-------------------------------------------------------------+
  • Quy trình thi công và kiểm soát chất lượng:
    • Đất nền đắp từ mỏ Minh Quang, xử lý thay đất và đầm lèn đạt độ chặt $K \ge 0,98$, đo mô đun đàn hồi đáy áo đường đạt yêu cầu.
    • Lớp móng dưới AB-ĐCS dày 18 cm được san rải và lu lèn bằng lu rung đạt độ chặt $K \ge 0,98$.
    • Lớp móng trên AB-ĐCS gia cố xi măng dày 16 cm được trộn tập trung tại trạm trộn Sông Hồng 6, vận chuyển, san rải bằng máy và lu lèn trong thời gian trước khi xi măng bắt đầu ninh kết.
    • Lớp mặt láng nhựa 3 lớp dày 3,5 cm bảo vệ bề mặt.
  • Nghiên cứu giải pháp hạn chế nứt co ngót:
    • Thử nghiệm giải pháp tạo đường nứt trước (cắt khe giả trên lớp cấp phối gia cố xi măng) nhằm định hướng vị trí nứt, ngăn ngừa nứt gãy bất quy tắc phản ánh lên lớp mặt.
    • Điều chỉnh chế độ bảo dưỡng 2 giai đoạn: phủ ẩm giữ nước ban đầu kết hợp tưới nhũ tương bitum tạo màng kín giữ ẩm.
  • Kết quả nghiệm thu và theo dõi (đến tháng 10/2018):
    • Đo mô đun đàn hồi tổng thể mặt đường đạt $E_{yc} \ge 110\text{ MPa}$.
    • Kiểm tra độ bằng phẳng bằng thước 3 mét đạt quy định.
    • Khoan mẫu trụ $\Phi 150\text{ mm}$ tại hiện trường để nén và ép chẻ: các giá trị cường độ thực tế tương thích tốt với mô hình hồi quy trong phòng thí nghiệm. Đoạn đường duy trì khả năng chịu lực ổn định dưới tải trọng xe tải nặng.

Chương 4: Nghiên cứu đề xuất một số kết cấu mặt đường và phạm vi áp dụng lớp đất, đá thải mỏ than Quảng Ninh

Chương 4 hoàn thiện phương pháp luận thiết kế và đề xuất các sơ đồ kết cấu mặt đường ứng dụng đất đá thải mỏ than cho các mạng lưới đường giao thông:

  • Nguyên tắc và tiêu chuẩn thiết kế: Áp dụng quy trình thiết kế áo đường mềm 22 TCN 211-06, tiêu chuẩn thiết kế mặt đường mềm nâng cao 22 TCN 274-01 và TCVN 8858:2011; tích hợp phân tích khí hậu MERRA-2 vùng Quảng Ninh để xác định cấp nhựa đường (PG) theo hệ thống SHRP/LTPP.
  • Đề xuất các sơ đồ kết cấu áo đường điển hình:
    1. Đường giao thông nông thôn (GTNT): Tầng mặt láng nhựa hoặc bê tông xi măng mỏng; lớp móng chịu lực chính sử dụng cấp phối AB-ĐCS gia cố xi măng (hoặc cấp phối AB-ĐCS đầm chặt).
    2. Đường ô tô công cộng (cấp III, cấp IV): Tầng mặt bê tông nhựa (BTN); móng trên bằng cấp phối A-ĐCS hoặc AB-ĐCS gia cố xi măng; móng dưới bằng cấp phối AB-ĐCS không gia cố.
    3. Đường cao tốc và đường chịu tải trọng nặng: Tầng mặt bê tông nhựa nhiều lớp; lớp móng trên bằng cấp phối đá dăm gia cố xi măng (CTB từ A-ĐCS); lớp móng dưới bằng cấp phối đá dăm loại I/II kết hợp giải pháp màng hấp thụ ứng suất (SAMI) hoặc cắt khe giả để chống nứt phản ánh.
  • Công nghệ sản xuất và thi công: Đề xuất dây chuyền nghiền sàng phân loại tại bãi thải Đông Cao Sơn kết hợp trạm trộn cố định để sản xuất hỗn hợp đá thải gia cố xi măng quy mô công nghiệp.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xác lập cơ sở khoa học về việc sử dụng đất đá thải nguyên khai từ các mỏ than Cẩm Phả (đặc trưng là bãi thải Đông Cao Sơn) làm vật liệu xây dựng đường ô tô; chứng minh được hiệu quả tăng cường độ chịu nén, kéo uốn và mô đun đàn hồi khi gia cố bằng xi măng.
  2. Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm có ý nghĩa thống kê (thông qua DoE và ANOVA-Tukey) về mối quan hệ giữa hàm lượng xi măng (4%, 5%, 6%), thành phần hạt của 02 nhóm cấp phối (A-ĐCS và AB-ĐCS) với các chỉ tiêu cơ lý $R_n$, $R_{ech}$, $E_{dh}$ theo các mốc tuổi 7, 14, 28 ngày.
  3. Thiết lập các phương trình hồi quy tương quan giữa cường độ nén, cường độ ép chẻ của mẫu khoan hiện trường với tuổi mẫu và điều kiện bảo dưỡng thực tế.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ

  1. Đề xuất thành công 02 loại cấp phối vật liệu có tính ứng dụng cao: nhóm A-ĐCS (sàng lọc loại bỏ hạt mịn) và nhóm AB-ĐCS (sử dụng toàn bộ đất đá thải nguyên khai), trong đó nhóm AB-ĐCS mang lại hiệu quả kinh tế cao do giảm chi phí chế biến.
  2. Hoàn thiện quy trình công nghệ thi công hiện trường: từ khâu bốc xúc, tuyển chọn, trộn tập trung tại trạm trộn, vận chuyển, san rải, lu lèn đến công nghệ bảo dưỡng 2 giai đoạn (phủ ẩm và tưới nhũ tương).
  3. Thử nghiệm và hoàn thiện giải pháp kỹ thuật cắt khe giả trên lớp móng gia cố xi măng nhằm chủ động định hướng và hạn chế hiện tượng nứt co ngót phản ánh lên tầng mặt bê tông nhựa.
  4. Xây dựng và nghiệm thu đoạn đường thử nghiệm đạt mô đun đàn hồi yêu cầu $E_{yc} = 110\text{ MPa}$, chứng minh tính khả thi kỹ thuật trong điều kiện tải trọng thực tế.
  5. Đề xuất bộ danh mục các kết cấu mặt đường mẫu kèm thông số tính toán cụ thể cho đường GTNT, đường ô tô thông thường và đường cấp cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu tập trung chủ yếu vào nguồn đất đá thải tại bãi thải Đông Cao Sơn; các bãi thải khác tại vùng than Quảng Ninh (như Bàng Nâu, Nam Khe Tam, Đông Khe Sim) mới chỉ được khảo sát, đối chiếu ở mức độ tổng quan.
  • Đoạn đường thử nghiệm hiện trường có quy mô chiều dài và thời gian theo dõi hạn chế (từ khi thi công đến tháng 10/2018), chịu tác động của một nhóm tải trọng cụ thể trong khu vực trường học, chưa theo dõi biến dạng dài hạn qua nhiều năm khai thác liên tục của lưu lượng giao thông hỗn hợp ngoài quốc lộ.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu đánh giá biến tính cơ lý và thành phần khoáng hóa đối với đất đá thải tại các bãi thải khác trong khu vực bể than Đông Bắc để xây dựng bản đồ vật liệu phế thải mỏ.
  • Nghiên cứu kết hợp đất đá thải mỏ than với các chất kết dính và phế thải công nghiệp khác (như tro bay, xỉ đáy lò của các nhà máy nhiệt điện trên địa bàn Quảng Ninh) nhằm giảm hàm lượng xi măng thương phẩm, tăng tính thân thiện với môi trường.
  • Tiếp tục quan trắc dài hạn độ suy giảm mô đun đàn hồi và diễn biến vết nứt trên các đoạn đường thực tế khai thác quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông: Luận án cung cấp phương pháp luận nghiên cứu kết hợp giữa thí nghiệm vật liệu, quy hoạch thực nghiệm thống kê (DoE, ANOVA) và kiểm chứng hiện trường.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu xây dựng: Có thể áp dụng ngay các thông số cơ lý tính toán ($R_n$, $R_{ech}$, $E_{dh}$) và quy trình công nghệ thi công lớp cấp phối đất đá gia cố xi măng, giải pháp cắt khe giả chống nứt.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và chính quyền địa phương (tỉnh Quảng Ninh, ngành Than - Vinacomin, Bộ GTVT): Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn cơ sở, ban hành định mức kinh tế kỹ thuật nhằm giải phóng diện tích bãi thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm tài nguyên khoáng sản.

Nội dung đáng tham khảo

  • Dữ liệu thí nghiệm so sánh giữa 2 nhóm cấp phối A-ĐCS và AB-ĐCS ở Chương 2.
  • Quy trình kiểm soát chất lượng, công nghệ thi công và giải pháp xử lý nứt co ngót ở Chương 3.
  • Bảng thông số tính toán kết cấu áo đường theo các tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 và 22 TCN 274-01 ở Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấp phối A-ĐCS và cấp phối AB-ĐCS khác nhau như thế nào?

Cấp phối A-ĐCS là hỗn hợp cấp phối đá dăm được sản xuất từ đất đá thải bãi Đông Cao Sơn sau khi đã qua sàng lọc loại bỏ toàn bộ các hạt có kích thước nhỏ hơn 50 mm. Cấp phối AB-ĐCS là hỗn hợp được gia công trực tiếp từ khối đất đá thải nguyên khai tại bãi thải, bao gồm tất cả các dải cỡ hạt vốn có và chứa khoảng 10% thành phần đất phủ tự nhiên.

2. Tỷ lệ xi măng gia cố được nghiên cứu tối ưu trong khoảng nào?

Luận án nghiên cứu các tỷ lệ xi măng 4%, 5% và 6%. Kết quả cho thấy tỷ lệ xi măng từ 4% đến 6% giúp hỗn hợp cấp phối AB-ĐCS đạt cường độ nén 14 ngày từ 2,5 đến 5,5 MPa và cường độ ép chẻ từ 0,35 đến 0,55 MPa, đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật làm lớp móng theo TCVN 8858:2011 và 22 TCN 211-06.

3. Giải pháp nào được tác giả áp dụng để hạn chế nứt do co ngót trên lớp móng gia cố xi măng?

Tác giả đã áp dụng giải pháp tạo đường nứt trước bằng cách cắt khe giả trên lớp cấp phối gia cố xi măng để định hướng khe nứt cục bộ, kết hợp quy trình bảo dưỡng 2 giai đoạn: giữ ẩm bằng bao tải ẩm trong giai đoạn đầu và phun tưới nhũ tương bitum tạo màng kín giữ nước ngăn chặn mất ẩm nhanh gây co ngót thể tích.

4. Kết quả nghiệm thu đoạn đường thử nghiệm hiện trường đạt các chỉ tiêu chính nào?

Đoạn đường thử nghiệm có kết cấu móng dưới bằng AB-ĐCS dày 18 cm, móng trên bằng AB-ĐCS gia cố xi măng dày 16 cm, mặt láng nhựa dày 3,5 cm đạt mô đun đàn hồi chung $E_{yc} \ge 110\text{ MPa}$, độ chặt đầm lèn móng $K \ge 0,98$, độ bằng phẳng thước 3 m đạt yêu cầu và chịu được tải trọng xe chở vật liệu xây dựng nặng mà không phát sinh hư hỏng cấu trúc.

Kết luận

Luận án của tác giả Đỗ Văn Thái đã giải quyết hoàn chỉnh vấn đề kỹ thuật về việc tái sử dụng đất đá thải mỏ than Cẩm Phả, Quảng Ninh làm vật liệu xây dựng đường ô tô. Thông qua hệ thống thí nghiệm trong phòng và kiểm chứng hiện trường, công trình đã xác lập các chỉ tiêu cơ lý, hoàn thiện quy trình thi công cấp phối đá thải gia cố xi măng (đặc biệt là nhóm cấp phối nguyên khai AB-ĐCS) và đề xuất các giải pháp chống nứt co ngót hiệu quả. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học và thực tiễn quan trọng, đóng góp trực tiếp vào mục tiêu tiết kiệm tài nguyên vật liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường tại các vùng khai thác khoáng sản.