CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết của đề tài: 1.1 Thực trạng sử dụng mặt đường bê tông xi măng ở các nước trên thế giới và ở Việt Nam: Hiện nay mặt đường bê tông xi măng được sử dụng nhiều ở các nước trên thế giới bởi tính ưu việt của nó hơn mặt đường bêtông nhựa như tính chịu kéo, chịu uốn cao nên có thể sử dụng ở những tuyến đường có lưu lượng cao và tải trọng xe lớn. Thời gian sử dụng lâu dài (từ 30-40 năm) [1] và công tác duy tu bảo dưỡng ít, đơn giản. Đặc biệt sử dụng ở những nơi có chế độ thủy nhiệt bất lợi, hay bị ngập nước. Trên thế giới, hầu hết các nước phát triển và đang phát triển người ta đang chú trọng xây dựng loại mặt đường cứng.
Ở Mỹ và một số nước châu Mỹ, loại áo đường bê tông xi măng chiếm khoảng 85-90% các đường cao tốc. Ở các nước Tây Âu, tỷ lệ loại mặt đường này là 65-80%. Và ở một số nước lân cận Việt Nam như Thái Lan, Malaysia 65% các đường cao tốc đều sử dựng áo đường bê tông xi măng [2]. Ở Việt Nam, mặt đường cứng được xây dựng ở nước ta từ trước năm 1945 cho một số sân bay và một vài đoạn đường ô tô có các tấm kích thước nhỏ (khoảng 2x2m, dày từ 15÷18cm) bằng bêtông mác thấp (150÷200), thi công theo phương pháp thủ công kỹ thuật đơn giản.
Tuy vậy, thời gian sử dụng những đoạn đường này cũng được trên 20÷25 năm như đoạn đường bê tông xi măng dài 100m trên quốc lộ 1A thuộc địa phận Kỳ Anh cho đến năm 1970 vẫn còn tồn tại. Điều này cho thấy ưu điểm vượt trội của loại mặt đường này so với mặt đường bêtông nhựa [3]. Năm 2010, xây dựng thêm 500km đường bê tông xi măng có bề rộng 7m [4]. Tháng 4/2012, Bộ GTVT sẽ chỉ đạo Vụ Kế Hoạch Đầu Tư hoàn thành quy hoạch sử dụng đường bê tông xi măng đến 2020 và tầm nhìn đến 2030 để từ đó có kế hoạch triển khai cụ thể.2 Thực trạng đường giao thông nông thôn ở nước ta: -2- Xét về mạng lưới: Hiện nay trên cả nước có trên 295046km đường bộ, trong đó hệ thống giao thông nông thôn (đường huyện, đường xã, đường thôn) chiếm tới 85%.
Nếu xét trên diện rộng, mật độ giao thông nông thôn trên cả nước còn thấp (0. Trong đó mật độ đường huyện chỉ là 0.14km/km2 với tỷ trọng 0.55km/1000 dân; Đường xã là 0.45km/km2 và 1. Tại khu vực nông thôn đồng bằng sông Hồng, mật độ này có cao hơn (khoảng 1.16km/km2) song còn xa mới đạt được tỷ lệ hợp lý (trung bình ở các nước phát triển tỷ lệ chiều dài km đường nông thôn trên diện tích khoảng 8,86km/km2) [5]. Thực tế hiện tại đó là hệ thống đường nông thôn chưa theo kịp với tốc độ phát triển và tiềm lực của các vùng kinh tế sản xuất nông, lâm, ngư nghiệp.
Hệ thống đường giao thông nông thôn chưa được phủ kín và chưa có sự kết nối liên hoàn từ hệ thống đường tỉnh, đường huyện xuống nông thôn nhất là đối với vùng sâu, vùng xa, miền núi, biên giới, hải đảo. Còn 149 xã chưa có đường ô tô tới trung tâm xã, trong đó khu vực Tây Nguyên chiếm đa số, thấp hơn 7 lần so với khu vực đồng bằng [5]. Trong những năm gần đây, việc xây dựng mặt đường bê tông xi măng vào Việt Nam đang được đẩy mạnh. Theo số liệu thống kê năm 2008, tổng chiều dài đường bê tông xi măng được xây dựng ở Việt Nam là 22000km ( chiếm 9%, chưa kể tới đường đô thị và đường chuyên dùng), trong đó, tỷ lệ đường bê tông dùng cho giao thông nông thôn cao nhất (18900km, chiếm 85%).
Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ bê tông xi măng làm đường (đặc biệt là đường giao thông nông thôn) còn chưa đồng đều và chưa phổ biến ở một số vùng. Hiện nay, mạng lưới đường giao thông nông thôn đang được nhựa hóa hoặc bê tông hóa. Tổng chiều dài đường giao thông nông thôn khoảng 250789km, trong đó, đường bê tông xi măng chiếm 7,5% so với tổng chiều dài đường giao thông nông thôn [6].3 Tính hợp lý khi sử dụng kết cấu áo đường bê tông xi măng ở Việt Nam: Việt Nam nằm trong vùng khí hậu thường xuyên biến đổi, lượng mưa lớn trung bình đạt 1.949 mm/năm, mùa hè nhiệt độ trung bình trên cả nước là 25oC. Nhiệt độ mặt đường vào mùa hè lên tới 60÷70oC nên khi sử dụng đường bê tông -3- nhựa, mô đun đàn hồi của mặt đường bị giảm nhưng không bị ảnh hưởng đối với áo đường bê tông xi măng [5].
Ở các tỉnh miền Tây Nam Bộ bề dày đất yếu lớn, khi sử dụng đường nhựa phải xử lý nền hoặc chấp nhận làm đường chờ lún. Điều này có thể hạn chế được khi sử dụng áo đường bê tông xi măng do nguyên tắc làm việc của áo đường bê tông xi măng là ‘‘tấm cứng trên nền đàn hồi’’, tải trọng được phân bố đều khắp tấm cứng nên áp lực tác dụng xuống nền nhỏ nên không phải xử lý nhiều về nền đường. Ở những vùng thường xuyên bị ngập lụt như các tỉnh miền miền Trung, miền tây, mặt đường cứng được sử dụng rất phổ biến do tính bền nước, thi công đơn giản và có thể tiến hành thủ công ở các nơi không có điều kiện cơ giới hóa [6]. Hiện nay, do tốc độ phát triển kinh tế nhanh nên mật độ xe và tải trọng xe ngày càng phát triển.
Việc sử dụng mặt đường cứng sẽ tăng thời gian sử dụng, hạn chế lún sụt, giảm giá thành duy tu, bảo dưỡng. Các nhân tố này chính là những nguyên do nên đề xuất sử dụng mặt đường cứng ở nước ta.4 Tình hình ô nhiễm môi trường do sử dụng bêtông truyền thống và hướng phát triển mặt đường đất gia cố Geopolymer: 1.1 Tình hình ô nhiểm môi trường khí do sử dụng bê tông xi măng: Việc sử dụng bê tông trong xây dựng đã được các nhà nghiên cứu cảnh báo gây ô nhiễm môi trường, làm tăng hiệu ứng nhà kính. Đặc biệt, quá trình sản xuất xi măng Portland sản sinh ra lượng khí CO2 lớn nhất, chiếm đến 88% lượng khí CO2 do bê tông sinh ra. Theo khảo sát, quá trình chế tạo một tấn xi măng Portland sinh ra đồng thời gần một tấn khí CO2.55 tấn khí được tạo ra do phản ứng phân hủy đá vôi và quá trình đốt cháy nhiên liệu cũng sinh ra 0.
Việc thải một lượng khí CO2 lớn như vậy vào môi trường góp phần gây ra hiệu ứng nhà kính. Kết quả là khí hậu bị biến đổi do trái đất nóng dần lên [9].1 Biểu đồ khí thải CO2 do bê tông xi măng gây ra [13] Tình hình phát triển trong lĩnh vực xây dựng cũng góp phần thúc đẩy việc sản xuất xi măng Portland. Theo thống kê, vào những năm 1990, một tỷ tấn xi măng được sản xuất trên toàn thế giới, đồng nghĩa với việc một tỷ tấn khí CO2 cũng được thải vào môi trường và chiếm 7% lượng khí thải CO2 của thế giới năm 1990. Sản lượng xi măng Portland sản xuất hàng năm tăng nhanh ở các nước đang phát triển, điển hình là Ấn Độ, Trung Quốc và có xu hướng không đổi tại các nước phát triển như Mỹ và châu Âu.
Vào năm 1975, Trung Quốc và Mỹ có sản lượng xi măng tương đương nhau nhưng đến năm 2000, sản lượng xi măng của Trung Quốc đã gấp 10 lần sản lượng xi măng của Mỹ. Năm 2005, Trung Quốc sản xuất tới 800 triệu tấn xi măng, chiếm 33% sản lượng xi măng trên toàn thế giới [10]. Sản xuất xi măng Việt Nam đang tăng trưởng 2,5%, và sản lượng dự kiến tăng từ 2,55 tỷ tấn vào năm 2006 lên 3,7-4,4 tỷ tấn vào năm 2050. Điều này cho thấy, cần phải có giải pháp hạn chế sử dụng xi măng làm chất kết dính cho bê tông giảm thiểu lượng khí thải vào môi trường [11].2 Hướng phát triển mặt đường sử dụng đất gia cố Geopolymer: Trước tình hình môi trường đang bị ảnh hưởng nghiêm trọng do sử dụng xi măng trong xây dựng, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu chất kết dính khác có thể thay thế cho xi măng nhưng thân thiện với môi trường.
Từ năm 1940, Purdon và Davidovits đã chứng minh vật liệu xây dựng, đặc biệt là bê tông có thể được tổng -5- hợp bằng hỗn hợp dung dịch alkali và vật liệu không phải từ xi măng Portland. Đến năm 1970, nhà khoa học Davidovits đã tạo thành công loại vật liệu rắn gọi là geopolymer được tổng hợp bởi dung dịch Alkali và tro bay, được đánh giá là chất kết dính có thể thay thế xi măng Portland nhưng lại thân thiện với môi trường do ít sản sinh khí CO2 (giảm 90% lượng khí CO2 so với xi măng Portland), và sử dụng lại phế thải của các nhà máy nhiệt điện là chính là tro bay. Đây là nguồn tài nguyên bị lãng phí và nguồn gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý [12]. Ở Việt Nam, 25% lượng điện được sản xuất từ các nhà máy điện đốt bằng than.
Hàng năm, các nhà máy nhiệt điện Việt Nam tiêu thụ gần 14 triệu tấn than và thải ra khoảng 4,5 triệu tấn tro xỉ phế thải. Và trong vài năm tới, theo sơ đồ phát triển điện lực mới thì Việt Nam sẽ có thêm nhiều nhà máy nhiệt điện than. Đến năm 2030, tổng công suất nhiệt điện đốt than là 77.000 MW thì lượng than tiêu thụ khoảng 176 triệu tấn, lượng tro xỉ thải sẽ đạt 35 triệu tấn/năm. Lúc này, chắc chắn sẽ phải tốn rất nhiều diện tích đất để chôn lượng tro xỉ nhiệt điện khổng lồ này [13].
Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng tro bay thay thế xi măng làm chất kết dính trong bê tông là vấn đề cấp thiết. Xi măng là một trong là một trong các vật liệu xây dựng được sử dụng rộng rãi nhất trong các công trình xây dựng và các công trình hạ tầng cơ sở. Nó đóng vai trò là chất kết dính trong việc sản xuất bê tông. Sản lượng xi măng sản xuất trên toàn thế giới không ngừng gia tăng, dự kiến khoảng 1,5 tấn trong năm 1995 lên khoảng 2,2 tấn trong năm 2010 (Mehta 1999) [14].
Tuy nhiên, công nghiệp sản xuất xi măng lại là một trong các ngành tiêu thụ rất lớn nguồn tài nguyên khoáng sản (đá vôi) và năng lượng (than, dầu, điện) cũng như có sự thải ra lượng khí CO2 lớn vào khí quyển. Số liệu điều tra cho thấy lượng khí CO2 từ công nghiệp sản xuất xi măng xấp xỉ 1,35 tấn / năm chiếm khoảng 7% lượng khí thải CO2 trên toàn thế giới (Malhotra 2002) [15].
