Nghiên cứu xác định cường độ bê tông xi măng sử dụng cát xay bằng phương pháp không phá hoại trong xây dựng đường ô tô và đường thành phố

• Trường học: Trường Đại Học Xây Dựng
• Chuyên ngành: Xây Dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Cường Độ Bê Tông Xi Măng Dùng Cát Xay Bằng Phương Pháp Không Phá Hoại
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• PHẦN MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• Đối tượng nghiên cứu
• Phạm vi nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Nội dung chính của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ BTXM DÙNG CÁT XAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHÔNG PHÁ HOẠI TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ
• 1.1. Tổng quan về cát xay
• 1.2. Các nghiên cứu có sử dụng cát xay trong chế tạo bê tông xi măng trên thế giới và ở Việt Nam
• 1.2.1. Trên thế giới
• 1.2.2. Ở Việt Nam
• 1.3. Các tính chất cơ lý của một số mỏ cát xay trong khu vực Đông Nam Bộ
• 1.3.1. Các tính chất cơ lý của cát xay từ mỏ đá Hóa An
• 1.3.2. Các tính chất cơ lý của cát xay từ mỏ đá Tân Thành (Bà Rịa)
• 1.3.3. Các tính chất cơ lý của cát xay từ mỏ đá Phước Tân (Biên Hòa)
• 1.3.4. Các tính chất cơ lý của cát xay từ mỏ đá Châu Pha (Bà Rịa)
• 1.4. So sánh một số tính chất cơ lý của cát xay và cát tự nhiên
• 1.5. Các yêu cầu của bê tông xi măng làm đường ô tô
• 1.6. Tổng quan xác định cường độ bê tông xi măng dùng cát xay bằng phương pháp không phá hoại
• PHẦN KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ DỰ KIẾN HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

I. Giới thiệu và tính cấp thiết của đề tài

Bê tông xi măng (BTXM) là vật liệu xây dựng phổ biến, đặc biệt trong xây dựng đường ô tô tại khu vực Nam Bộ. Tuy nhiên, nguồn cát tự nhiên chất lượng cao ngày càng khan hiếm và đắt đỏ. Cát xay được xem là giải pháp thay thế hiệu quả. Việc sử dụng phương pháp không phá hoại để đánh giá cường độ bê tông sau thi công là cần thiết, giúp bảo toàn hình dạng và tính thẩm mỹ của công trình. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định cường độ BTXM sử dụng cát xay bằng các phương pháp không phá hoại như súng bật nẩy và vận tốc xung siêu âm.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định cường độ BTXM sử dụng cát xay trong xây dựng đường ô tô bằng phương pháp không phá hoại. Cụ thể, nghiên cứu tập trung vào việc thiết lập mối quan hệ giữa cường độ chịu nén, kéo uốn của BTXM với vận tốc xung siêu âm và súng bật nẩy. Đối tượng nghiên cứu là BTXM sử dụng cát xay từ mỏ đá Tân Đông Hiệp, Bình Dương, với cường độ từ 20 đến 40 MPa.

1.2. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trên BTXM sử dụng cát xay hợp chuẩn từ mỏ đá Tân Đông Hiệp. Phương pháp nghiên cứu bao gồm khảo sát, phân tích các kết quả nghiên cứu trước đây, thực nghiệm xác định tính chất cơ lý của cát xay, và sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để thiết kế, đúc mẫu, thí nghiệm và phân tích số liệu.

II. Tổng quan về cát xay và ứng dụng trong BTXM

Cát xay là loại cát được nghiền từ đá, có kích thước hạt từ 150 µm đến 5 mm. So với cát tự nhiên, cát xay có bề mặt hạt góc cạnh và nhám hơn, giúp tăng ma sát trong đá xi măng và cải thiện cường độ BTXM. Tuy nhiên, việc sử dụng cát xay cũng gặp khó khăn do tính công tác của bê tông tươi kém. Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc sử dụng cát xay trong BTXM, đặc biệt trong bối cảnh khan hiếm cát tự nhiên.

2.1. Tính chất cơ lý của cát xay

Cát xay có các tính chất cơ lý khác biệt so với cát tự nhiên, bao gồm khối lượng thể tích xốp, khối lượng riêng, độ xốp, và hàm lượng tạp chất. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cát xay từ các mỏ đá tại khu vực Đông Nam Bộ đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật để sử dụng trong BTXM. Ví dụ, cát xay từ mỏ đá Hóa An có khối lượng thể tích xốp 1.665 g/cm³ và khối lượng riêng 2.782 g/cm³, đạt tiêu chuẩn TCVN 7572:2006.

2.2. Ứng dụng cát xay trên thế giới và tại Việt Nam

Trên thế giới, cát xay đã được sử dụng rộng rãi tại các nước như Bồ Đào Nha, Trung Quốc, và Nhật Bản. Tại Việt Nam, cát xay đã được ứng dụng trong các công trình thủy điện như Sơn La và Đồng Nai 3 & 4. Nghiên cứu này cũng đề cập đến việc sử dụng cát xay trong xây dựng đường ô tô, một lĩnh vực còn mới tại Việt Nam.

III. Phương pháp xác định cường độ BTXM bằng phương pháp không phá hoại

Nghiên cứu sử dụng ba phương pháp chính để xác định cường độ BTXM: súng bật nẩy, vận tốc xung siêu âm, và kết hợp cả hai phương pháp. Phương pháp kết hợp cho độ tin cậy cao nhất, với sai số nhỏ so với phương pháp nén phá hoại. Tuy nhiên, các phương pháp này hiện chỉ áp dụng cho BTXM có cường độ dưới 35 MPa, trong khi BTXM làm đường ô tô yêu cầu cường độ cao hơn.

3.1. Phương pháp súng bật nẩy

Phương pháp này xác định cường độ nén thông qua độ cứng bề mặt của bê tông. Tuy nhiên, nó chỉ phù hợp với BTXM có cường độ thấp và không đáp ứng được yêu cầu của BTXM làm đường ô tô.

3.2. Phương pháp vận tốc xung siêu âm

Phương pháp này đo độ đồng nhất của bê tông thông qua vận tốc truyền sóng siêu âm. Nó được sử dụng kết hợp với súng bật nẩy để tăng độ chính xác khi xác định cường độ BTXM.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, đặc biệt trong bối cảnh khan hiếm cát tự nhiên. Việc sử dụng cát xay trong BTXM không chỉ giúp giảm chi phí mà còn bảo vệ môi trường. Các phương pháp không phá hoại được đề xuất trong nghiên cứu có thể áp dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong xây dựng đường ô tô.

4.1. Giá trị thực tiễn

Nghiên cứu cung cấp các giải pháp kỹ thuật để xác định cường độ BTXM sử dụng cát xay, giúp đảm bảo chất lượng công trình mà không làm ảnh hưởng đến hình dạng và tính thẩm mỹ của kết cấu.

4.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để mở rộng phạm vi áp dụng các phương pháp không phá hoại cho BTXM có cường độ cao hơn, đặc biệt trong các công trình đường ô tô và cầu đường.

Tổng quan nghiên cứu

Bê tông xi măng (BTXM) là vật liệu xây dựng phổ biến, đặc biệt trong xây dựng đường ô tô tại khu vực Nam Bộ. Tuy nhiên, nguồn cát vàng tự nhiên chất lượng cao ngày càng khan hiếm và giá thành tăng cao, gây áp lực lớn cho ngành xây dựng. Do đó, việc tìm kiếm giải pháp thay thế cát tự nhiên hạt to là cấp thiết. Cát xay, được nghiền từ đá với kích thước hạt từ 150 µm đến 5 mm, đã trở thành lựa chọn quan trọng trong thành phần BTXM nhằm giảm phụ thuộc vào cát tự nhiên.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc xác định cường độ BTXM sử dụng cát xay trong xây dựng đường ô tô bằng các phương pháp không phá hoại như súng bật nẩy, vận tốc xung siêu âm và kết hợp cả hai. Nghiên cứu nhằm thiết lập mối quan hệ giữa cường độ chịu nén, kéo uốn của BTXM với các chỉ số đo không phá hoại, từ đó nâng cao độ chính xác trong đánh giá chất lượng bê tông tại công trường mà không làm ảnh hưởng đến kết cấu công trình.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào BTXM sử dụng cát xay hợp chuẩn tại mỏ đá Tân Đông Hiệp, Dĩ An, Bình Dương với cường độ từ 20 đến 40 MPa. Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong bối cảnh nguồn cát tự nhiên ngày càng hạn chế, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường bằng cách giảm khai thác cát sông. Việc áp dụng phương pháp không phá hoại giúp kiểm tra chất lượng bê tông sau thi công một cách nhanh chóng, chính xác và bảo toàn hình dạng kết cấu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết truyền sóng siêu âm trong bê tông: Vận tốc xung siêu âm phản ánh độ đồng nhất và chất lượng bê tông, được sử dụng để đánh giá cường độ bê tông không phá hoại.
• Phương pháp súng bật nẩy (Schmidt Hammer): Đo độ cứng bề mặt bê tông để ước lượng cường độ chịu nén thông qua trị số bật nẩy.
• Mô hình kết hợp vận tốc xung siêu âm và súng bật nẩy: Tăng độ tin cậy trong xác định cường độ bê tông bằng cách kết hợp hai phương pháp không phá hoại.
• Các khái niệm chính bao gồm: cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, mô đun độ lớn của cát, độ xốp, hàm lượng tạp chất hữu cơ, và thành phần hạt cát.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các mỏ cát xay tại khu vực Đông Nam Bộ, đặc biệt là mỏ đá Tân Đông Hiệp, với các chỉ tiêu cơ lý được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 7572:2006. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Khảo sát và phân tích tài liệu: Tổng hợp kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng cát xay trong BTXM và các phương pháp không phá hoại.
• Thí nghiệm thực nghiệm: Thiết kế cấp phối bê tông sử dụng cát xay, đúc mẫu lập phương và mẫu dầm để thử nghiệm cường độ chịu nén và kéo uốn.
• Phân tích số liệu: Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để thiết lập mối quan hệ giữa cường độ bê tông và các chỉ số đo không phá hoại (vận tốc xung siêu âm, trị số bật nẩy).
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2011 đến 2013, bao gồm khảo sát, thí nghiệm và phân tích dữ liệu.

Cỡ mẫu thí nghiệm gồm các mẫu lập phương kích thước 150x150x150 mm và mẫu dầm 15x15x60 cm, được bảo dưỡng 28 ngày theo tiêu chuẩn. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên tại các công trường xây dựng đường ô tô sử dụng cát xay.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tính chất cơ lý của cát xay: Các mỏ cát xay tại Đông Nam Bộ có khối lượng thể tích xốp dao động từ 1.645 đến 1.665 g/cm³, khối lượng riêng từ 2.692 đến 2.808 g/cm³, độ xốp khoảng 38.82% đến 41.1%, hàm lượng bụi bùn sét dưới 5.02%, và cường độ đá gốc nén khô từ 95.5 đến 209.1 MPa. Những chỉ tiêu này đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn TCVN 7572:2006, chứng tỏ cát xay có chất lượng phù hợp để sử dụng trong BTXM.

2. Ảnh hưởng của cát xay đến cấu trúc bê tông: Hạt cát xay có bề mặt góc cạnh, sần sùi làm tăng ma sát trong đá xi măng, từ đó cải thiện cường độ BTXM so với cát tự nhiên. Tuy nhiên, tính công tác của bê tông tươi giảm do khó nhào trộn hơn.

3. Hiệu quả phương pháp không phá hoại: Phương pháp kết hợp vận tốc xung siêu âm và súng bật nẩy cho độ tin cậy cao nhất trong xác định cường độ nén BTXM, với sai số nhỏ hơn so với phương pháp đơn lẻ. Tuy nhiên, tiêu chuẩn hiện hành chỉ áp dụng cho BTXM có cường độ dưới 35 MPa, trong khi BTXM làm mặt đường ô tô yêu cầu cường độ kéo uốn ≥ 4 MPa và cường độ nén từ 20 đến 40 MPa.

4. Mối quan hệ giữa cường độ và chỉ số không phá hoại: Nghiên cứu thiết lập được các hàm số tương quan giữa cường độ chịu nén, kéo uốn của BTXM sử dụng cát xay với vận tốc xung siêu âm (trực tiếp, gián tiếp, bán trực tiếp) và trị số bật nẩy. Ví dụ, với BTXM cường độ 30 MPa, vận tốc xung siêu âm trung bình đạt khoảng 4.2 km/s và trị số bật nẩy trung bình là 35.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cải thiện cường độ BTXM khi sử dụng cát xay là do hình dạng hạt góc cạnh và bề mặt nhám, tạo liên kết tốt hơn trong cấu trúc bê tông. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với báo cáo của Trung tâm Quốc tế về Nghiên cứu cốt liệu (ICAR) và Viện bê tông Thụy Điển, cho thấy cát xay có thể tăng độ bền bê tông lên khoảng 10%.

Việc áp dụng phương pháp không phá hoại giúp giảm thiểu ảnh hưởng đến kết cấu công trình, tiết kiệm thời gian và chi phí kiểm tra chất lượng bê tông tại công trường. Tuy nhiên, cần điều chỉnh tiêu chuẩn hiện hành để phù hợp với BTXM sử dụng cát xay có cường độ cao hơn 35 MPa.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân tích mối quan hệ giữa vận tốc xung siêu âm, trị số bật nẩy và cường độ bê tông, cũng như bảng so sánh tính chất cơ lý của cát xay và cát tự nhiên.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật: Điều chỉnh tiêu chuẩn TCXD 225:1998 và các tiêu chuẩn liên quan để mở rộng phạm vi áp dụng phương pháp không phá hoại cho BTXM sử dụng cát xay với cường độ từ 20 đến 40 MPa, đáp ứng yêu cầu xây dựng đường ô tô.

2. Áp dụng phương pháp kết hợp đo vận tốc xung siêu âm và súng bật nẩy: Khuyến nghị các đơn vị thi công và kiểm định sử dụng phương pháp này để đánh giá chất lượng BTXM tại công trường, đảm bảo độ chính xác và không làm hư hại kết cấu.

3. Nâng cao chất lượng cát xay: Đầu tư công nghệ nghiền và xử lý cát xay nhằm giảm hàm lượng bụi bùn sét và tạp chất hữu cơ, đồng thời kiểm soát thành phần hạt để tối ưu tính công tác và cường độ bê tông.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư, cán bộ kỹ thuật về phương pháp không phá hoại và thiết kế cấp phối BTXM sử dụng cát xay, đảm bảo áp dụng hiệu quả trong thực tế.

5. Thời gian thực hiện: Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 1-2 năm để kịp thời đáp ứng nhu cầu xây dựng đường ô tô tại khu vực Nam Bộ và các vùng lân cận.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư xây dựng và quản lý dự án: Nắm bắt phương pháp kiểm tra chất lượng BTXM không phá hoại, áp dụng trong giám sát thi công và nghiệm thu công trình đường ô tô.

2. Nhà sản xuất vật liệu xây dựng: Hiểu rõ đặc tính cát xay và ảnh hưởng đến chất lượng bê tông, từ đó cải tiến quy trình sản xuất và cung cấp vật liệu phù hợp.

3. Cơ quan quản lý và ban ngành giao thông vận tải: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật mới về sử dụng cát xay trong xây dựng đường bộ.

4. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Làm cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu thay thế cát tự nhiên và phương pháp kiểm tra chất lượng bê tông không phá hoại.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp không phá hoại có chính xác bằng phương pháp phá hoại không?
   Phương pháp kết hợp vận tốc xung siêu âm và súng bật nẩy cho độ tin cậy cao, sai số nhỏ hơn so với phương pháp đơn lẻ, và gần tương đương với phương pháp phá hoại khi xác định cường độ nén BTXM.

2. Cát xay có thể thay thế hoàn toàn cát tự nhiên trong BTXM không?
   Cát xay có thể thay thế hoàn toàn hoặc một phần cát tự nhiên nếu đảm bảo các chỉ tiêu cơ lý và thành phần hạt phù hợp, giúp giảm khai thác cát tự nhiên và bảo vệ môi trường.

3. Phương pháp đo vận tốc xung siêu âm được thực hiện như thế nào?
   Đầu dò siêu âm được đặt trên bề mặt bê tông, đo thời gian truyền sóng qua chiều dài xác định, từ đó tính vận tốc xung siêu âm phản ánh chất lượng bê tông.

4. Tại sao cát xay làm tăng cường độ bê tông?
   Do hạt cát xay có bề mặt góc cạnh và nhám, tạo ma sát cao hơn trong hỗn hợp bê tông, giúp liên kết xi măng và cốt liệu tốt hơn, nâng cao cường độ chịu lực.

5. Có thể áp dụng phương pháp không phá hoại cho bê tông có cường độ trên 35 MPa không?
   Tiêu chuẩn hiện hành giới hạn ở 35 MPa, nhưng nghiên cứu đã mở rộng áp dụng cho BTXM sử dụng cát xay với cường độ lên đến 40 MPa, cần điều chỉnh tiêu chuẩn để phù hợp.

Kết luận

• Cát xay tại khu vực Đông Nam Bộ có đặc tính cơ lý phù hợp để sử dụng trong BTXM xây dựng đường ô tô, với cường độ đá gốc đạt trên 95 MPa và độ xốp khoảng 40%.
• Phương pháp không phá hoại kết hợp vận tốc xung siêu âm và súng bật nẩy là công cụ hiệu quả để xác định cường độ BTXM sử dụng cát xay, đảm bảo độ chính xác và bảo toàn kết cấu.
• Tiêu chuẩn hiện hành cần được cập nhật để áp dụng cho BTXM có cường độ từ 20 đến 40 MPa, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của mặt đường ô tô.
• Việc sử dụng cát xay góp phần giảm khai thác cát tự nhiên, bảo vệ môi trường và giảm chi phí vận chuyển vật liệu xây dựng.
• Đề xuất triển khai các giải pháp kỹ thuật và đào tạo nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng cát xay và phương pháp kiểm tra không phá hoại trong ngành xây dựng đường bộ.

Hành động tiếp theo là áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế thi công và hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các loại cát thay thế khác nhằm đa dạng hóa nguồn vật liệu xây dựng bền vững.