Luận án tiến sĩ 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 nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế từ bê tông nhựa trong kết cấu áo đường ô tô tại Việt Nam.

• 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 xây dựng 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 cào bóc từ bê tông nhựa cũ

Bê tông xi măng đầm lăn (bê tông đầm lăn) là một loại vật liệu xây dựng hiện đại, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng đường ô tô tại Việt Nam. Việc ứng dụng cốt liệu tái chế từ bê tông nhựa cũ không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ môi trường. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ bê tông đầm lăn trên thế giới cho thấy sự phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là ở các nước phát triển. Tại Việt Nam, việc áp dụng công nghệ này còn mới mẻ nhưng đã bắt đầu nhận được sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các cơ quan chức năng. Đặc điểm của bê tông đầm lăn bao gồm khả năng chịu tải tốt, độ bền cao và khả năng chống thấm nước. Thành phần vật liệu chế tạo bê tông đầm lăn thường bao gồm xi măng, cốt liệu tự nhiên và nước, trong đó cốt liệu tái chế từ bê tông nhựa cũ đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất của hỗn hợp bê tông.

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

Trên thế giới, công nghệ bê tông đầm lăn đã được áp dụng thành công trong nhiều dự án lớn. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng cốt liệu tái chế từ bê tông nhựa cũ có thể cải thiện đáng kể các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông đầm lăn. Tại Việt Nam, mặc dù công nghệ này còn mới, nhưng đã có một số dự án thử nghiệm cho thấy hiệu quả của việc sử dụng cốt liệu tái chế. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế là cần thiết để đáp ứng nhu cầu xây dựng đường ô tô ngày càng tăng tại Việt Nam.

II. Nghiên cứu lựa chọn phương pháp và tính toán thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông đầm lăn

Việc lựa chọn phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế từ bê tông nhựa cũ là rất quan trọng. Nguyên tắc thiết kế thành phần hỗn hợp cần phải đảm bảo tính ổn định và độ bền của bê tông. Các phương pháp thiết kế như thiết kế theo nguyên lý bê tông và thiết kế theo nguyên lý gia cố đất đã được áp dụng. Mối liên hệ giữa hai nguyên lý này giúp tối ưu hóa thành phần hỗn hợp, từ đó nâng cao chất lượng của bê tông đầm lăn. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc xác định tỷ lệ phối trộn của hỗn hợp cốt liệu và hàm lượng chất kết dính là rất quan trọng để đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật mong muốn.

2.1. Phân tích và lựa chọn nguyên lý tính toán thiết kế

Nguyên lý tính toán thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông đầm lăn cần phải dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Việc phân tích các đặc tính kỹ thuật của các vật liệu chế tạo như xi măng, cốt liệu tự nhiên, và cốt liệu tái chế là rất cần thiết. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cốt liệu tái chế từ bê tông nhựa cũ có thể cải thiện đáng kể cường độ chịu nén và độ bền của bê tông đầm lăn. Việc lựa chọn đúng loại xi măng và tỷ lệ phối trộn hợp lý sẽ giúp tối ưu hóa tính chất của hỗn hợp bê tông, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng trong xây dựng đường ô tô.

III. Thí nghiệm trong phòng đánh giá các đặc tính kỹ thuật của bê tông đầm lăn

Thí nghiệm trong phòng là một phần quan trọng trong nghiên cứu bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế. Kế hoạch thực nghiệm được thiết kế để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật như cường độ chịu nén, độ co ngót, và mô đun đàn hồi. Các thí nghiệm xác định cường độ chịu nén cho thấy rằng hàm lượng cốt liệu tái chế có ảnh hưởng lớn đến tính chất của bê tông. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng cốt liệu tái chế từ bê tông nhựa cũ không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn cải thiện độ bền của bê tông đầm lăn.

3.1. Thiết kế thí nghiệm và trình tự phân tích thống kê

Thiết kế thí nghiệm cần phải đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Các công thức tính toán và phương pháp phân tích thống kê được áp dụng để xử lý số liệu. Việc loại bỏ số liệu ngoại lai và đánh giá độ chụm là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của kết quả thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế có khả năng chịu tải tốt và độ bền cao, đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật trong xây dựng đường ô tô.

IV. Xây dựng đoạn đường thực nghiệm và nghiên cứu đề xuất kết cấu mặt đường

Xây dựng đoạn đường thực nghiệm với lớp bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế từ bê tông nhựa cũ là một bước quan trọng trong nghiên cứu. Kế hoạch xây dựng đoạn thử nghiệm được thiết kế chi tiết, từ việc xác định vị trí, mặt bằng đến các thông số hình học. Công tác thi công được thực hiện theo quy trình nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng. Đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của đoạn đường thử nghiệm cho thấy rằng lớp bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế có khả năng chịu tải tốt và độ bền cao.

4.1. Đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của đoạn đường thử nghiệm

Đo đạc và theo dõi diễn biến vết nứt sau khi thi công là một phần quan trọng trong việc đánh giá chất lượng của đoạn đường. Công tác kiểm tra nghiệm thu đoạn đường thử nghiệm được thực hiện để đảm bảo rằng các chỉ tiêu kỹ thuật đạt yêu cầu. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng cốt liệu tái chế từ bê tông nhựa cũ không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao chất lượng của bê tông đầm lăn. Nghiên cứu đề xuất một số kết cấu áo đường và phạm vi áp dụng lớp bê tông đầm lăn sử dụng cốt liệu tái chế là cần thiết để đáp ứng nhu cầu xây dựng đường ô tô tại Việt Nam.

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.