Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng đầm lăn sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa trong kết cấu áo đường ô tô ở việt nam

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng đầm lăn sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa trong, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý

• Tác giả: Nguyễn Thị Hương Giang
• Người hướng dẫn: GS. Bùi Xuân Cậy
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Giao Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Bê Tông Xi Măng Đầm Lăn Từ Cốt Liệu Tái Chế Trong Kết Cấu Áo Đường Ô Tô Tại Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về bê tông đầm lăn và cốt liệu tái chế

Phần này trình bày tổng quan về bê tông đầm lăn và cốt liệu tái chế, đặc biệt là cốt liệu từ bê tông nhựa cũ. Bê tông đầm lăn là vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi trong các công trình giao thông nhờ khả năng chịu tải cao và chi phí thi công thấp. Cốt liệu tái chế từ bê tông nhựa cũ không chỉ giúp giảm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế trong kết cấu áo đường ô tô tại Việt Nam, nhằm tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.

1.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bê tông đầm lăn

Bê tông đầm lăn đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, và châu Âu. Tại Việt Nam, việc ứng dụng bê tông đầm lăn còn hạn chế do thiếu nghiên cứu chuyên sâu và công nghệ thi công phù hợp. Nghiên cứu này nhằm khắc phục những hạn chế đó bằng cách kết hợp cốt liệu tái chế từ bê tông nhựa cũ, tạo ra vật liệu xây dựng bền vững và hiệu quả.

1.2. Công nghệ tái chế cốt liệu từ bê tông nhựa cũ

Công nghệ tái chế cốt liệu từ bê tông nhựa cũ bao gồm các bước cào bóc, nghiền, phân loại và lưu trữ. Quá trình này đòi hỏi kỹ thuật cao để đảm bảo chất lượng cốt liệu tái chế. Nghiên cứu đã xác định các thông số kỹ thuật quan trọng như thành phần hạt, khối lượng thể tích, và độ ẩm của cốt liệu tái chế, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất và ứng dụng trong bê tông đầm lăn.

II. Nghiên cứu thiết kế thành phần bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế

Phần này tập trung vào việc thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế. Nghiên cứu đã phân tích và lựa chọn các phương pháp thiết kế phù hợp, bao gồm nguyên lý bê tông và nguyên lý gia cố đất. Kết quả cho thấy, việc sử dụng cốt liệu tái chế không chỉ giảm chi phí mà còn cải thiện các đặc tính kỹ thuật của bê tông đầm lăn, đặc biệt là cường độ chịu nén và độ bền lâu dài.

2.1. Phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp

Nghiên cứu đã áp dụng hai phương pháp thiết kế chính: nguyên lý bê tông và nguyên lý gia cố đất. Nguyên lý bê tông tập trung vào việc tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn các thành phần vật liệu, trong khi nguyên lý gia cố đất chú trọng vào việc cải thiện độ ổn định và độ bền của hỗn hợp. Kết hợp hai phương pháp này giúp tạo ra bê tông đầm lăn có chất lượng cao và phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

2.2. Đánh giá đặc tính kỹ thuật của vật liệu

Nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm để đánh giá đặc tính kỹ thuật của cốt liệu tái chế và các vật liệu khác như xi măng, cốt liệu tự nhiên. Kết quả cho thấy, cốt liệu tái chế có khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt, đặc biệt là về cường độ chịu nén và độ ổn định. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng rộng rãi của bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế trong các công trình giao thông.

III. Thí nghiệm và đánh giá hiệu quả của bê tông đầm lăn

Phần này trình bày kết quả thí nghiệm và đánh giá hiệu quả của bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế. Các thí nghiệm bao gồm xác định cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ, mô đun đàn hồi, và độ co ngót. Kết quả cho thấy, bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật cao, đặc biệt là về độ bền và khả năng chịu tải. Điều này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng bê tông đầm lăn trong kết cấu áo đường ô tô tại Việt Nam.

3.1. Thí nghiệm cường độ chịu nén và ép chẻ

Các thí nghiệm cường độ chịu nén và ép chẻ được tiến hành để đánh giá khả năng chịu tải của bê tông đầm lăn. Kết quả cho thấy, bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế đạt được cường độ chịu nén cao hơn so với bê tông truyền thống, đặc biệt là ở các mẫu có hàm lượng chất kết dính tối ưu. Điều này khẳng định tính ưu việt của bê tông đầm lăn trong các công trình giao thông.

3.2. Thí nghiệm mô đun đàn hồi và độ co ngót

Thí nghiệm mô đun đàn hồi và độ co ngót được thực hiện để đánh giá độ bền và độ ổn định của bê tông đầm lăn. Kết quả cho thấy, bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế có mô đun đàn hồi cao và độ co ngót thấp, đảm bảo khả năng chịu tải và độ bền lâu dài. Điều này khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng bê tông đầm lăn trong các công trình giao thông tại Việt Nam.

IV. Ứng dụng thực tế và đề xuất kết cấu áo đường

Phần này trình bày kết quả ứng dụng thực tế của bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế trong kết cấu áo đường ô tô tại Việt Nam. Nghiên cứu đã xây dựng đoạn đường thử nghiệm và đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật sau khi thi công. Kết quả cho thấy, bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và có tính kinh tế cao. Nghiên cứu cũng đề xuất các kết cấu áo đường phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

4.1. Xây dựng đoạn đường thử nghiệm

Nghiên cứu đã xây dựng đoạn đường thử nghiệm sử dụng bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế. Quá trình thi công bao gồm các bước chuẩn bị cốt liệu, thi công nền đường, và lu lèn hỗn hợp bê tông. Kết quả đánh giá cho thấy, đoạn đường thử nghiệm đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật cao, đặc biệt là về độ bằng phẳng và độ bền. Điều này khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng bê tông đầm lăn trong các công trình giao thông.

4.2. Đề xuất kết cấu áo đường

Nghiên cứu đã đề xuất các kết cấu áo đường sử dụng bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. Các đề xuất bao gồm kết cấu mặt đường mềm, nửa cứng, và cứng, với các giải pháp chống nứt và tăng cường độ bền. Nghiên cứu cũng đánh giá tính kinh tế của các kết cấu này, khẳng định hiệu quả chi phí và tính bền vững của bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Kết cấu hạ tầng nói chung và kết cấu hạ tầng giao thông nói riêng có vai trò quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. Kết cấu hạ tầng giao thông vận tải đồng bộ, hiện đại đáp ứng nhu cầu vận tải hàng hóa, hành khách… thì sẽ tạo tiền đề cho nền kinh tế tăng trưởng nhanh, ổn định và bền vững. Do đó, việc phát triển mặt đường bền vững được nhiều nước trên thế giới quan tâm. Cả hai loại mặt đường là mặt đường bê tông nhựa và mặt đường bê tông xi măng đều được áp dụng rộng rãi trong xây dựng đường ô tô.

Trong đó, mặt đường bê tông nhựa (BTN) chiếm tỷ lệ cao hơn so với mặt đường bê tông xi măng (BTXM). Tuy nhiên, do sự phát triển của kinh tế xã hội, sự gia tăng nhanh các phương tiện giao thông, đặc biệt là các xe tải nặng làm cho chất lượng mặt đường giảm sút, gây ra những hư hỏng cho kết cấu mặt đường, đặc biệt là mặt đường bê tông nhựa. Các mặt đường bê tông nhựa hư hỏng được cào bóc trở thành vật liệu phế thải không phân huỷ. Vì vậy, để hạn chế ô nhiễm môi trường, tận dụng vật liệu phế thải, nhiều nước trên thế giới đã áp dụng công nghệ tái sử dụng mặt đường bê tông nhựa.

Các công nghệ này cho phép mặt đường được sửa chữa và gia cố bằng vật liệu bê tông nhựa cũ, giảm chi phí vận chuyển, giảm thời gian thi công so với biện pháp thông thường, tác động tốt đến môi trường, hạn chế lượng khí thải từ các trạm trộn ra môi trường trong quá trình xây mới những con đường. Do vậy, nhu cầu tái sử dụng vật liệu này ngày càng tăng cao đặc biệt ở các nước có nền công nghiệp phát triển trên thế giới. Mặt đường bê tông nhựa tái chế đã được đề cập từ năm 1915, đến nay, nhiều công nghệ tái chế mặt đường được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Gần đây, một số nước như Mỹ, Pháp, Bỉ, Đức,.đã áp dụng công nghệ tái chế nguội sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ thay thế một phần cốt liệu tự nhiên để chế tạo bê tông đầm lăn làm lớp móng, lớp mặt đường cấp thấp, vỉa hè, bãi đỗ xe, đường nội bộ,.

rất hiệu quả. Sử dụng mặt đường bê tông đầm lăn có tác dụng giảm mô đun đàn hồi dẫn đến giảm ứng suất do tải trọng và nhiệt độ gây ra so với mặt đường bê tông xi măng, đồng thời khắc phục được một số hạn chế về cường độ của mặt đường bê tông nhựa. 2 Ở Brazil, công nghệ bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ đã được áp dụng làm lớp móng trong xây dựng đường ô tô [70]. Ở Thổ Nhĩ Kỳ, bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ được dùng làm vỉa hè.

Nghiên cứu này đã sử dụng 15% và 20% cốt liệu tái chế thay thế cho cốt liệu lớn để chế tạo hỗn hợp bê tông đầm lăn làm vỉa hè, có hiệu quả cho việc bảo vệ môi trường sinh thái, giảm khí thải CO2, tận dụng được nguồn vật liệu chất thải [85]. Tại Bỉ, nhóm tác giả đã nghiên cứu và so sánh giữa bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ và bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tự nhiên thì thấy rằng cường độ chịu nén của bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tự nhiên có giá trị cao hơn nhưng kết quả thí nghiệm cho thấy việc sử dụng bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế trong xây dựng có hiệu quả và vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật [76]. Tại Pháp, nghiên cứu bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế bổ sung các sợi thép là một phần của dự án “Recyroute” của Cơ quan Nghiên cứu Quốc gia Pháp trong xây dựng đường của các tuyến đường có lưu lượng giao thông lớn. Kết quả thử nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường cho thấy, bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế bổ sung các sợi thép đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật theo các tiêu chuẩn hiện hành đồng thời các sợi thép cho phép giảm thiểu chiều rộng vết nứt [79].

Ngoài ra, một số nước khác như Iran, Ấn Độ, Angeri,. cũng đang nghiên cứu và áp dụng công nghệ bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế trong xây dựng đường ô tô. Như vậy, sử dụng cốt liệu tái chế trong chế tạo hỗn hợp bê tông đầm lăn mang lại nhiều thuận lợi cho việc quản lý chất thải, sử dụng năng lượng và tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường, giảm giá thành xây dựng. Ở Việt Nam, trong khoảng vài năm trở lại đây, Bộ Giao thông vận tải bắt đầu quan tâm đến các công nghệ tái chế mặt đường, điển hình là các công nghệ: công nghệ tái sinh nguội tại chỗ bằng bitum bọt và xi măng; công nghệ tái sinh nguội tại chỗ bằng nhũ tương nhựa đường cải tiến; công nghệ tái chế nóng mặt đường, công nghệ tái chế ấm mặt đường,… nhằm đảm bảo các yêu cầu về kinh tế, môi trường và xã hội.

Tuy nhiên, việc áp dụng các công nghệ tái chế mặt đường bê tông nhựa cũ chưa rộng rãi nên không thể tái chế hết lượng bê tông nhựa cũ ngày càng lớn. Ngoài ra, công nghệ tái chế nguội mặt đường tại trạm trộn sử dụng một phần cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ vào chế tạo bê tông đầm lăn chưa được áp dụng trong xây dựng đường ô tô. 3 Do đó, việc nghiên cứu áp dụng công nghệ bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ trong xây dựng đường ô tô ở Việt Nam là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Khi áp dụng công nghệ tái chế này, vừa tiết kiệm được cốt liệu tự nhiên, giảm chi phí do khai thác và vận chuyển cốt liệu mới từ nơi khác đến, bảo vệ môi trường, giảm khí thải từ các trạm trộn, vừa đi theo xu hướng phát triển mặt đường bền vững trên thế giới.

Xuất phát từ hiệu quả đó, luận án được nghiên cứu với tên đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng đầm lăn sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa trong kết cấu áo đường ô tô ở Việt Nam”.  Mục đích nghiên cứu - Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ thay thế cốt liệu tự nhiên để chế tạo hỗn hợp bê tông đầm lăn nhằm tận dụng vật liệu phế thải sẵn có, giảm chi phí xây dựng, tiết kiệm nguồn vật liệu tự nhiên đang cạn kiệt và giảm ô nhiễm môi trường. - Ứng dụng công nghệ bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ làm lớp móng, lớp mặt đường cấp thấp, bãi đỗ xe, vỉa hè,… trong xây dựng đường ô tô ở Việt Nam với các điều kiện phù hợp.  Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng của nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu công nghệ bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ ứng dụng làm lớp móng, lớp mặt đường giao thông cấp thấp, bãi đỗ xe,.

với các điều kiện phù hợp Việt Nam. - Phạm vi nghiên cứu của luận án: Lựa chọn vật liệu, hàm lượng cốt liệu tái chế để thiết kế thành phần hỗn hợp, xác định một số chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của bê tông đầm lăn trong phòng thí nghiệm, ứng dụng kết quả thí nghiệm trong phòng để xây dựng đoạn đường thử nghiệm. Trên cơ sở đó, đề xuất một số phương án kết cấu điển hình dùng trong xây dựng đường ô tô ở Việt Nam.  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 1.

 Ý nghĩa khoa học - Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu tham khảo có ích về phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế, cơ sở lựa chọn hàm lượng cốt liệu tái chế và hàm lượng chất kết dính dùng trong chế tạo hỗn hợp bê tông đầm lăn. 4 - Điểm mới của luận án: phân tích ảnh hưởng của hàm lượng cốt liệu tái chế, ảnh hưởng của màng nhựa dính bám xung quanh các hạt cốt liệu, ảnh hưởng của hàm lượng xi măng dùng trong hỗn hợp đến các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông đầm lăn, từ đó có thể lựa chọn được hàm lượng cốt liệu tái chế thay thế cho cốt liệu tự nhiên trong thiết kế hỗn hợp bê tông đầm lăn. - Dựa trên các cơ sở khoa học để phân tích các thông số kỹ thuật của bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ, từ đó đánh giá hiệu quả sử dụng công nghệ này trong xây dựng đường ô tô tại Việt Nam. Đề xuất một số kết cấu áo đường điển hình sử dụng lớp bê tông đầm lăn dùng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ.

 Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu góp phần vào việc đưa thêm một công nghệ tái chế nguội tại trạm trộn là công nghệ bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ, đồng thời khi áp dụng công nghệ này sẽ tiết kiệm vật liệu tự nhiên, giảm giá thành xây dựng, bảo vệ môi trường, tận dụng được vật liệu phế thải xây dựng.  Phương pháp nghiên cứu - Nguyên cứu lý thuyết, phân tích các cơ sở khoa học về các vấn đề liên quan đến bê tông đầm lăn, cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ và bê tông đầm lăn có sử dụng cốt liệu tái chế trong xây dựng đường ô tô. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm xác định các đặc tính kỹ thuật của bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu cào bóc từ bê tông nhựa cũ. Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường thực hiện trên các thiết bị đã được kiểm định và chứng nhận về chất lượng đảm bảo độ chính xác cho thí nghiệm.

- Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, phương pháp bình phương nhỏ nhất để xử lý kết quả thí nghiệm, đảm bảo có ý nghĩa thống kê của kết quả nghiên cứu. Sử dụng phần mềm Minitab để hỗ trợ phân tích thống kê đảm bảo độ tin cậy.  TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ CỐT LIỆU CÀO BÓC TỪ BÊ TÔNG NHỰA CŨ Mục đích của chương nhằm nghiên cứu về công nghệ bê tông xi măng đầm lăn dùng trong xây dựng đường ô tô.