Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng bột nghiền mịn từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt 12 5mm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt 12 5mm, góp phần nâng cao chất lượng vật liệu xây dựng.

• Tác giả: Trần Trung Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Mạnh Tuấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Bột Nghiền Mịn Từ Tro Trấu Vào Bê Tông Nhựa Chặt 12.5mm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn từ tro trấu

Nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt là một lĩnh vực quan trọng trong ngành xây dựng. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là cải thiện chất lượng và tính năng của bê tông nhựa thông qua việc thay thế một phần bột khoáng bằng bột nghiền mịn từ tro trấu. Sự phát triển này không chỉ giúp nâng cao cường độ và độ ổn định của bê tông nhựa mà còn góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do lượng tro trấu thải ra từ ngành nông nghiệp. Theo các nghiên cứu trước đó, việc thêm bột tro trấu vào bê tông nhựa giúp cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật như độ ổn định Marshall, độ dẻo và độ cứng của bê tông nhựa. Điều này cho thấy rằng việc ứng dụng tro trấu là một giải pháp khả thi và bền vững trong ngành xây dựng.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là một trong những nước xuất khẩu gạo lớn, dẫn đến việc sản xuất một lượng lớn tro trấu. Tuy nhiên, việc xử lý và tái sử dụng tro trấu vẫn còn hạn chế. Việc nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn từ tro trấu vào bê tông nhựa không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải mà còn cải thiện chất lượng bê tông nhựa. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng tro trấu có thể làm tăng tuổi thọ công trình, giảm chi phí và bảo vệ môi trường. Điều này càng trở nên cần thiết khi các công trình giao thông ngày càng phải đối mặt với áp lực về chất lượng và hiệu quả kinh tế.

II. Phương pháp nghiên cứu và thí nghiệm

Nghiên cứu đã được thực hiện thông qua việc chế tạo các mẫu bê tông nhựa với các tỷ lệ khác nhau của bột nghiền mịn từ tro trấu. Các mẫu bê tông nhựa được chia thành các nhóm với tỷ lệ tro trấu từ 0% đến 1.6%. Các thí nghiệm được thực hiện bao gồm độ ổn định Marshall, độ dẻo Marshall, độ cứng Marshall, cường độ chịu kéo gián tiếp và mô đun đàn hồi. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ được phân tích để đánh giá mức độ ảnh hưởng của bột tro trấu đến các tính chất của bê tông nhựa. Việc áp dụng các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn như Marshall không chỉ đảm bảo tính chính xác mà còn giúp so sánh hiệu quả giữa các mẫu bê tông nhựa có và không có bột nghiền mịn từ tro trấu.

2.1. Kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng việc bổ sung bột nghiền mịn từ tro trấu vào bê tông nhựa đã làm tăng đáng kể độ ổn định và độ cứng của hỗn hợp. Cụ thể, các mẫu bê tông nhựa có chứa tro trấu với tỷ lệ 0.4% và 0.8% cho kết quả tốt nhất về độ ổn định Marshall, cho thấy khả năng chịu lực và độ bền cao hơn so với mẫu không có tro trấu. Điều này chứng tỏ rằng tro trấu không chỉ là một nguyên liệu tái chế mà còn có thể cải thiện đáng kể các tính chất của bê tông nhựa, đồng thời góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

III. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ứng dụng bột nghiền mịn từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt là một giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng bê tông nhựa. Kết quả cho thấy rằng tro trấu có thể thay thế một phần bột khoáng mà không làm giảm chất lượng của hỗn hợp. Việc sử dụng tro trấu không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Do đó, các nhà sản xuất bê tông nên xem xét việc áp dụng tro trấu trong quy trình sản xuất của họ. Hơn nữa, cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn về các loại phụ gia khác từ tro trấu để tối ưu hóa chất lượng bê tông nhựa trong tương lai.

3.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Để tối ưu hóa ứng dụng của tro trấu trong bê tông nhựa, cần thực hiện thêm các nghiên cứu về tỷ lệ pha trộn và các loại phụ gia khác nhau. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của tro trấu ở các điều kiện thời tiết khác nhau cũng sẽ giúp đánh giá toàn diện hơn về khả năng ứng dụng của nó trong thực tế. Hơn nữa, cần có sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất để thúc đẩy việc ứng dụng tro trấu trong ngành xây dựng, từ đó góp phần vào việc phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Hiện nay ở Việt Nam, kết cấu bê tông nhựa được sử dụng rộng rãi cho các tuyến đường, đặc biệt khi thiết kế các công trình đường cấp cao và đường cao tốc. Do đó, vấn đề nghiên cứu cải tiến chất lượng bê tông nhựa nhằm để nâng cao cường độ, ổn định tốt, tăng tuổi thọ công trình luôn là mối quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu cũng như nhà quản lý giao thông và nhà xây dựng công trình. Mặc khác, Việt Nam là nước xuất khẩu gạo lớn thứ ba thế giới, sau Ấn Độ và Thái Lan, đạt 5,789 triệu tấn trong năm 2017 [1]. Vỏ trấu từ ngành nông nghiệp này là một trong những nguồn cung cấp chất đốt cho các ngành sản xuất công nghiệp như lò gạch, lò sấy,… Tuy nhiên sản phẩm tro trấu sau khi đốt xong vẫn còn nhiều vấn đề xấu về môi trường.

Phần lớn hiện nay lượng tro trấu được dùng làm phân bón trong sản xuất nông nghiệp. Ngoài ra tro trấu được dùng để điều chế bột phụ gia nano đioxit silic. Theo một số đánh giá của các nghiên cứu trên thế giới, việc cho thêm bột tro trấu vào bê tông nhựa giúp tăng cường tính chất của bê tông nhựa như là làm tăng độ ổn định Marshall, tăng độ cứng cũng như làm tăng tuổi thọ của bê tông nhựa. Hiện nay chưa có nhiều nghiên cứu trong nước về mức độ ảnh hưởng của bột tro trấu đến bê tông nhựa chặt.

Có bài nghiên cứu “Nghiên cứu sử dụng nano SiO2 làm phụ gia nhằm giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa” của thầy Lê Văn Bách dùng bột điều chế SiO2 từ tro trấu thêm vào bê tông nhựa chặt 12,5 mm kết quả cho thấy việc thay thế bột khoáng trong bê tông nhựa chặt bởi bột SiO2 điều chế từ tro trấu với hàm lượng 0,5% và 1% sẽ làm tăng độ ổn định Marshall cũng như làm giảm được hằn lún vệt bánh xe cho bê tông nhựa. [2] Đề tài “nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt 12.5mm” trên cơ sở dựa trên mô hình tính toán, chế tạo mẫu và thí nghiệm Marshall, một phương pháp được sử dụng chủ yếu trong thiết kế bê tông nhựa hiện nay. Nội dung chính của đề tài tập trung vào xác định độ ổn định Marshall của mẫu, 2 thí nghiệm ép chẻ, mô dun đàn hồi vật liệu, mô đun phức động (dynamic modulus) của bê tông nhựa khi có và không có bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu, từ đó phân tích đánh giá kết quả. Việc nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt 12.5mm để tận dụng được một phần tro trấu cũng như để gia tăng cường độ, tăng khả năng chịu lực của các lớp BTN đã giúp một phần giải quyết bài toán về vấn đề môi trường và vấn đề cải thiện tính chất bê tông nhựa.

Do đó, đề tài nghiên cứu là cần thiết.2 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu vào sự làm việc của BTN khi sử dụng thêm bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu để so sánh mức độ cải thiện của BTN khi sử dụng và không sử dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu thông qua các thí nghiệm trong phòng như: độ ổn định Marshall, thí nghiệm ép chẻ, thí nghiệm mô đun đàn hồi vật liệu, mô đun phức động (Dynamic Modulus).3 Ý nghĩa đề tài Đề tài “nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt 12.5mm” tận dụng nguồn nguyên liệu tro trấu có sẵn giúp giải quyết vấn đề môi trường cũng như góp phần nâng cao chất lượng BTN sử dụng trong lớp kết cấu áo đường, đồng thời tiếp bước hoàn thiện các thí nghiệm mà các nghiên cứu trước chưa đề cập đến.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là nghiên cứu mức độ cải thiện tính chất của bê tông nhựa chặt 12.5mm sử dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu so với bê tông nhựa chặt 12.5mm không sử dụng.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài gồm: 3 + Nghiên cứu tổng quan về BTN có sử dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu. + Xác định các chỉ tiêu của bê tông nhựa chặt 12.5mm có sử dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu rồi so sánh với chỉ tiêu của bê tộng nhựa chặt 12.5mm thường. Từ đó đưa ra kết luận và đề xuất kiến nghị.3 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu chủ yếu gồm các nhiệm vụ sau: + Nhiệm vụ 1: Tìm nguồn vật liệu, tro trấu từ địa phương. + Nhiệm vụ 2: Lựa chọn cấp phối BTNC 12.

+ Nhiệm vụ 3: So sánh, đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp BTNC 12.5mm có và không có sử dụng bột tro trấu nghiền mịn bằng các thí nghiệm trong phòng như thí nghiệm độ ổn định Marshall, thí nghiệm mô đun đàn hồi vật liệu và thí nghiệm cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ), thí nghiệm mô đun phức động (Dynamic Modulus). 4 Toàn bộ nội dung nghiên cứu được tóm tắt theo sơ đồ sau: Hình 1.1: Nội dung thực hiện luận văn. 5 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC 2.1 Tổng quan về bê tông nhựa 2.1 Định nghĩa về bê tông nhựa Bê tông nhựa nóng (viết tắt là BTN) là hỗn hợp của các cốt liệu (đá dăm, cát, bột khoáng) có tỷ lệ cấp phối xác định, được sấy nóng và trộn đều với nhau, sau đó được trộn với nhựa đường theo tỷ lệ xác định.2 Thành phần BTN thông thường Bê tông nhựa hình thành cường độ trên nguyên lý cấp phối với nhựa đường là chất liên kết trong đó: Cốt liệu: Gồm cốt liệu hạt thô và cốt liệu hạt mịn + Cốt liệu hạt thô (d>2,36mm): Là bộ khung chịu lực cho BTN, có khả năng chịu được tác dụng của ngoại lực, tạo nhám mặt đường. + Cốt liệu hạt mịn (d≤2,36mm): Lắp đầy lỗ rỗng của khung sườn đá dăm, tăng tính ổn định của bộ khung đá dăm.

Bột khoáng: Lắp đầy lỗ rỗng giữa cát hạt cốt liệu, làm tăng độ đặc của BTN. Ngoài ra, bột khoáng còn làm tăng tỷ diện bề mặt cốt liệu làm mỏng màn bitum trên mặt hạt khoáng, tăng lực tương tác giữa các cốt liệu với nhau. Từ đó làm tăng cường độ và độ bền của BTN. Nhựa đường: tác dụng liên kết các vật liệu khoáng tạo thành hỗn hợp vật liệu BTN.

Phụ gia: giúp cải thiện thêm tính chất của BTN như tính dính bám giữa nhựa và cốt liệu, tăng tính dẻo, tính ổn định với nhiệt, ….3 Phân loại bê tông nhựa Có nhiều cách khác nhau để phân loại BTN.1 Theo độ rỗng dư Theo TCVN 8819 – 2011, Mặt đường BTN nóng yêu cầu thi công và nghiệm thu phân loại bê tông nhựa theo độ rỗng dư như sau [3] + Bê tông nhựa chặt: có độ rỗng dư từ 3% – 6%, trong thành phần bắt buộc phải có bột khoáng, dùng để làm lớp mặt trên và mặt dưới. + Bê tông nhựa rỗng: Độ rỗng dư từ 7% - 12% và chỉ dùng làm lớp móng.2 Theo kích cỡ hạt danh định Theo TCVN 8819 – 2011 phân loại BTN theo kích cỡ hạt danh định theo kích cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu, chia làm hai loại với BTN chặt và BTN rỗng. Với từng loại lại phân ra nhiều loại BTN với các đường kính danh định khác nhau. + Đối với BTN rỗng: có các loại bê tông nhựa rỗng 19mm (BTNR 19); bê tông nhựa rỗng 25mm (BTNR 25); bê tông nhựa rỗng 37,5mm (BTNR 37,5).3 Theo đặc tính của cấp phối hỗn hợp cốt liệu Theo TCVN 8820 – 2011 - Hỗn hợp bê tông nhựa nóng – thiết kế theo phương pháp Marshall, BTN được phân loại theo cấp phối hỗn hợp cốt liệu được phân ra thành 5 loại BTN.

+ BTN cấp phối gián đoạn (gap graded mix). + BTN cấp phối hở (open graded mix). + BTN có độ nhám cao. + Hỗn hợp đá- vữa nhựa (Stone matrix asphalt hoặc Stone mastic asphalt - SMA).4 Theo vị trí và công năng trong kết cấu mặt đường Phân loại BTN theo vị trí và công năng thì theo TCVN 8820 – 2011 phân loại BTN như sau: [4] + BTN có độ nhám cao: được dùng cho đường cao tốc, đường ô tô cấp cao hoặc các đoạn đường nguy hiểm.

+ BTN lớp mặt: bao gồm BTN lớp mặt trên (wearing course mixture) và lớp mặt dưới (binder course mixture), thường sử dụng BTNC. + BTN lớp móng (base course mixture): có thể sử dụng BTN chặt hoặc BTN rỗng làm lớp móng. + BTN cát (sand – asphalt mixture): được dùng làm lớp mặt ở những nơi có tải trọng xe không lớn, vỉa hè, làn dành cho xe đạp, xe thô sơ hoặc sử dụng làm lớp bù vênh trước khi thảm BTN bên trên.4 Các chỉ tiêu cơ lý yêu cầu của vật liệu tạo thành BTN chặt Chỉ tiêu cơ lý của các vật liệu cấu thành BTNC được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 8819 – 2011.1 Đá dăm hay sỏi Thành phần đá dăm trong hỗn hợp vật liệu BTN từ 20% - 65%. Đá dăm là loại đá có nguồn gốc từ thiên nhiên, được chế tạo từ cuội hoặc từ xỉ lò cao nhưng phải đáp ứng thích hợp với các yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 8819 – 2011.

Các loại đá chế tạo từ đá mác nơ, đá sa thạch sét, diệp thạch sét không được phép dùng. [5] Thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu (thí nghiệm theo TCVN 7572-2: 2006) của BTNC 12,5mm thõa mãn yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 8819 – 2011. [3] Tính chất cơ lý, chất lượng đá dăm được thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 7572: 2006 và tiêu chuẩn TCVN 7504 – 2005. Các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm phải thỏa mãn yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 8819 – 2011.2 Cát Thành phần cát trong hỗn hợp vật liệu BTN chiếm từ 15% - 50%.

Cát thiên nhiên, cát xay từ đá hoặc hỗn hợp cát thiên nhiên và cát đá xay đều được sử dụng. Đối với cát thiên nhiên khi sử dụng không được lẫn tạp chất, đối với cát đá xay thì phải được nghiền từ đá có cường độ nén lơn hơn hoặc bằng đá sản xuất đá dăm. [5] Tính chất cơ lý của cát được thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 7572: 2006, tiêu chuẩn AASHTO T176 và tiêu chuẩn TCVN 8860: 2011. Các chỉ tiêu của cát phải thỏa mãn yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 8819 – 2011.3 Bột khoáng Thành phần bột khoáng trong hỗn hợp BTN nóng chiếm khoảng từ 4% - 14%.

Bột khoáng được làm từ bột đá nghiền mịn từ đá các bô nát (đá vôi, đá đôlômit) hoặc từ tro than đá, bột đá vôi vỏ sò.