Nghiên cứu sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn chế tạo bê tông xi măng trong xây dựng mặt đường ô tô tại bà rịa vũng tàu luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Nghiên cứu ứng dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn chế tạo bê tông xi măng, phục vụ xây dựng mặt đường ô tô tại Bà Rịa - Vũng Tàu, đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng.

• Tác giả: Trần Quốc Việt
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Trọng
• Trường học: Trường Đại học Giao thông vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Nghiên cứu xỉ thép làm cốt liệu lớn cho bê tông xi măng trong xây dựng đường ô tô tại Bà Rịa - Vũng Tàu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG XỈ THÉP TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ
• 1.1. Tổng quan về BTXM
• 1.2. Khái niệm chung
• 1.3. Ưu nhược điểm của BTXM
• 1.4. Phân loại BTXM
• 1.5. Các lý thuyết về cấp phối BTXM
• 1.5.1. Khái niệm cấp phối BTXM
• 1.5.2. Lý thuyết cấp phối lý tưởng của Fuller – Thompson
• 1.5.3. Lý thuyết cấp phối hạt của Wemouth
• 1.5.4. Lý thuyết cấp phối hạt của Bolomey
• 1.5.5. Lý thuyết cấp phối hạt của Talbol
• 1.5.6. Lý thuyết cấp phối hạt của B. Ivanov
• 1.6. Các phương pháp thiết kế thành phần BTXM
• 1.7. Tình hình sử dụng xỉ thép trong xây dựng công trình
• 1.7.1. Tình hình sử dụng xỉ thép trên thế giới
• 1.7.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng xỉ thép tại Việt Nam
• 1.8. Yêu cầu của mặt đường BTXM
• 1.8.1. Khái niệm mặt đường BTXM
• 1.8.2. Các yêu cầu kỹ thuật của BT làm mặt đường BTXM
• 1.9. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, THỰC TRẠNG NGUỒN VẬT LIỆU XÂY DỰNG VÀ MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG TẠI BÀ RỊA – VŨNG TÀU
• 2.1. Điều kiện tự nhiên tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu
• 2.1.1. Đặc điểm tự nhiên
• 2.1.2. Tài nguyên thiên nhiên
• 2.2. Nguồn vật liệu xây dựng tại Bà Rịa – Vũng Tàu
• 2.2.1. Sét gạch ngói
• 2.2.2. Vật liệu san lấp
• 2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng xỉ thép trong xây dựng đường ô tô tại Bà Rịa – Vũng Tàu
• 2.3.1. Tình hình sản xuất xỉ thép
• 2.3.2. Tình hình sử dụng xỉ thép trong xây dựng công trình
• 2.4. Mạng lưới giao thông tại Bà Rịa – Vũng Tàu
• 2.4.1. Đường hàng không
• 2.4.2. Kế hoạch phát triển hệ thống giao thông đường bộ giai đoạn 2017 – 2020 và định hướng đến 2030 tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG XỈ THÉP LÀM CỐT LIỆU LỚN CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ TẠI BÀ RỊA – VŨNG TÀU
• 3.1. Yêu cầu kỹ thuật của vật liệu chế tạo BTXM
• 3.2. Cơ sở lý thuyết và thiết kế thành phần cấp phối bê tông xi măng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn
• 3.3. Phương pháp xác định các tính chất cơ lý của BTXM sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn
• 3.4. Thiết kế thành phần cấp phối bê tông xi măng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn
• 3.5. Thực nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý BTXM sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn
• 3.5.1. Phương pháp và kế hoạch thực nghiệm
• 3.5.2. Mối quan hệ giữa cường độ kéo uốn và cường độ chịu nén
• 3.6. Khả năng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn chế tạo BTXM trong xây dựng mặt đường ô tô
• 3.7. Các căn cứ đề xuất kết cấu áo đường
• 3.8. Đề xuất kết cấu mặt đường
• 3.9. Đánh giá hiệu quả kinh tế – kỹ thuật
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về bê tông xi măng sử dụng xỉ thép

Bê tông xi măng (BTXM) là vật liệu đá nhân tạo được tạo thành từ hỗn hợp xi măng, nước, cốt liệu lớn (đá dăm hoặc sỏi), cốt liệu nhỏ (cát) và phụ gia. Xỉ thép, một phế thải từ ngành luyện kim, được nghiên cứu để thay thế cốt liệu lớn trong BTXM. Bà Rịa - Vũng Tàu, với nguồn xỉ thép dồi dào từ các nhà máy luyện thép, là địa bàn lý tưởng để ứng dụng công nghệ này. Công nghệ bê tông sử dụng xỉ thép không chỉ giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên.

1.1. Khái niệm và ưu nhược điểm của BTXM

BTXM là vật liệu có cường độ chịu nén cao, dễ tạo hình và giá thành hợp lý. Tuy nhiên, nó có cường độ chịu kéo thấp và khả năng tái sử dụng hạn chế. Xỉ thép được xem là giải pháp thay thế cốt liệu lớn, giúp giảm chi phí và bảo vệ môi trường. Bê tông tái chế từ xỉ thép có thể đạt chất lượng tương đương hoặc vượt trội so với bê tông truyền thống.

1.2. Phân loại và yêu cầu kỹ thuật của BTXM

BTXM được phân loại theo cường độ chịu nén, khối lượng thể tích và phạm vi sử dụng. Bê tông làm đường yêu cầu cường độ cao, khả năng chống mài mòn và chịu được biến đổi nhiệt độ. Xỉ thép đáp ứng các yêu cầu này nhờ thành phần khoáng chất tương tự xi măng, giúp tăng độ bền và giảm chi phí sản xuất.

II. Điều kiện tự nhiên và nguồn vật liệu tại Bà Rịa Vũng Tàu

Bà Rịa - Vũng Tàu có điều kiện tự nhiên thuận lợi với nguồn tài nguyên phong phú, đặc biệt là xỉ thép từ các nhà máy luyện thép. Nguyên liệu xây dựng như sét gạch ngói và vật liệu san lấp cũng dồi dào. Công trình giao thông tại đây đang phát triển mạnh, tạo nhu cầu lớn về vật liệu xây dựng bền vững. Xỉ thép được xem là giải pháp tối ưu để đáp ứng nhu cầu này, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường.

2.1. Đặc điểm tự nhiên và tài nguyên

Bà Rịa - Vũng Tàu có khí hậu nhiệt đới gió mùa, thuận lợi cho xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng. Tài nguyên thiên nhiên như đá, cát và sét gạch ngói dồi dào, nhưng việc khai thác quá mức đang gây ra nhiều vấn đề môi trường. Xỉ thép là nguồn nguyên liệu thay thế hiệu quả, giúp giảm áp lực lên tài nguyên thiên nhiên.

2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng xỉ thép

Các nhà máy luyện thép tại Bà Rịa - Vũng Tàu sản xuất lượng lớn xỉ thép, dự kiến lên đến 451.000 tấn/năm. Xỉ thép được sử dụng trong xây dựng đường ô tô, giúp giảm chi phí và tăng độ bền của công trình. Bê tông xi măng sử dụng xỉ thép đang được nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi trong các dự án giao thông tại địa phương.

III. Nghiên cứu ứng dụng xỉ thép trong BTXM

Nghiên cứu khả năng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn trong BTXM tại Bà Rịa - Vũng Tàu đã được thực hiện thông qua thí nghiệm trong phòng. Kết quả cho thấy bê tông xi măng sử dụng xỉ thép đạt cường độ chịu nén, kéo uốn và mô đun đàn hồi tương đương hoặc vượt trội so với bê tông truyền thống. Công nghệ bê tông này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

3.1. Thiết kế thành phần cấp phối BTXM

Thành phần cấp phối BTXM sử dụng xỉ thép được thiết kế dựa trên lý thuyết cấp phối lý tưởng của Fuller – Thompson. Xỉ thép được nghiền nhỏ và trộn với xi măng, cát và nước theo tỷ lệ phù hợp. Kết quả thí nghiệm cho thấy bê tông xi măng đạt cường độ chịu nén 36MPa, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho mặt đường ô tô.

3.2. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật

Bê tông xi măng sử dụng xỉ thép giúp giảm chi phí vật liệu lên đến 20% so với bê tông truyền thống. Công trình giao thông sử dụng loại bê tông này có tuổi thọ cao, giảm chi phí bảo trì và sửa chữa. Bê tông và môi trường được cải thiện nhờ giảm phát thải CO2 và tận dụng phế thải công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế mạnh mẽ của Việt Nam, đặc biệt là sự gia tăng lưu lượng xe tải trọng lớn, các mặt đường mềm truyền thống đang gặp phải nhiều hiện tượng hư hỏng như lún, nứt và bong tróc. Việc chuyển sang sử dụng mặt đường bê tông xi măng (BTXM) cứng nhằm nâng cao độ bền và tuổi thọ mặt đường là một xu hướng tất yếu. Tuy nhiên, việc sản xuất BTXM đòi hỏi khai thác một lượng lớn tài nguyên thiên nhiên như đá dăm, cát, sỏi, dẫn đến nguy cơ cạn kiệt và mất cân bằng sinh thái. Đồng thời, ngành luyện kim phát triển mạnh tạo ra lượng lớn xỉ thép – một loại phế thải công nghiệp khó xử lý và có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường.

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn thay thế đá dăm trong sản xuất BTXM để xây dựng mặt đường ô tô tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Theo ước tính, các nhà máy luyện thép tại khu vực này phát sinh khoảng 0.5 triệu tấn xỉ thải mỗi năm, dự kiến tăng lên 1 triệu tấn khi các dự án luyện phôi thép đi vào hoạt động. Việc tận dụng xỉ thép không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn hạn chế khai thác tài nguyên thiên nhiên, đồng thời giảm phát thải CO2 tới 44% so với xi măng truyền thống.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá tính khả thi của việc sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn trong BTXM có cường độ chịu nén 36 MPa, xác định thành phần cấp phối hợp lý và đánh giá các chỉ tiêu cơ lý như cường độ chịu nén, kéo uốn, ép chẻ và mô đun đàn hồi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và khảo sát thực trạng nguồn vật liệu, mạng lưới giao thông tại Bà Rịa – Vũng Tàu trong giai đoạn hiện tại. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững, bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế trong xây dựng hạ tầng giao thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cấp phối bê tông xi măng (BTXM) truyền thống và hiện đại, bao gồm:

• Lý thuyết cấp phối lý tưởng của Fuller – Thompson: Mô tả đường cong phân bố kích thước hạt lý tưởng theo hàm parabol, giúp tối ưu hóa độ đặc của hỗn hợp bê tông.

• Lý thuyết cấp phối hạt của Bolomey: Điều chỉnh đường cong Fuller để phù hợp với tính công tác và hàm lượng hạt nhỏ trong hỗn hợp bê tông.

• Lý thuyết cấp phối hạt của Talbol và Ivanov: Xác định tỷ lệ khối lượng các loại hạt có kích thước khác nhau nhằm đạt độ rỗng tối thiểu và độ chặt lớn nhất cho hỗn hợp bê tông.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Cấp phối bê tông: Tỷ lệ các thành phần xi măng, cốt liệu lớn (đá dăm hoặc xỉ thép), cốt liệu nhỏ (cát) và nước trong 1m³ bê tông.

• Xỉ thép: Phế thải từ quá trình luyện thép lò điện hồ quang, chứa các ôxít kim loại như CaO, Fe_xO_y, SiO_2, MgO, Al_2O_3, có tính chất cơ lý tốt, bề mặt thô ráp, độ rỗng lớn và khối lượng riêng cao hơn đá dăm khoảng 35%.

• BTXM mặt đường ô tô: Bê tông có cường độ chịu nén từ 15 đến 60 MPa, yêu cầu cao về cường độ kéo uốn, khả năng chống thấm và bền với môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với các bước chính:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu về thành phần hóa học, tính chất cơ lý của xỉ thép và đá dăm tại Bà Rịa – Vũng Tàu; khảo sát thực trạng sản xuất và sử dụng xỉ thép trong xây dựng; thu thập số liệu về mạng lưới giao thông và điều kiện tự nhiên của địa phương.

• Phương pháp chọn mẫu: Lấy mẫu xỉ thép từ các nhà máy luyện thép tại khu công nghiệp Phú Mỹ, mẫu đá dăm tiêu chuẩn dùng làm cốt liệu lớn; chuẩn bị các mẫu bê tông với tỷ lệ cấp phối khác nhau để so sánh.

• Phương pháp phân tích: Thực hiện các thí nghiệm cơ lý gồm cường độ chịu nén, kéo uốn, ép chẻ và mô đun đàn hồi theo tiêu chuẩn TCVN 6010:2011 và các quy định hiện hành. Phân tích số liệu bằng phương pháp thống kê và so sánh với các tiêu chuẩn kỹ thuật.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018, bao gồm giai đoạn khảo sát thực trạng (3 tháng), chuẩn bị và thực nghiệm mẫu bê tông (6 tháng), phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn (3 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tính chất cơ lý của BTXM sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn: Mẫu bê tông có cường độ chịu nén đạt 36 MPa, cường độ kéo uốn trung bình đạt trên 5 MPa, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của mặt đường ô tô cấp I, II và III. Cường độ kéo uốn tăng khoảng 10% so với bê tông sử dụng đá dăm.

2. Độ sụt và độ dẻo của hỗn hợp bê tông: Độ sụt của BTXM sử dụng xỉ thép nằm trong khoảng 20-30 mm, phù hợp với yêu cầu thi công mặt đường. Độ dẻo của hỗn hợp giảm nhẹ so với bê tông truyền thống do độ rỗng lớn và bề mặt thô ráp của xỉ thép.

3. Mô đun đàn hồi và khả năng chống mài mòn: Mô đun đàn hồi của BTXM dùng xỉ thép đạt khoảng 25 GPa, cao hơn 15% so với bê tông dùng đá dăm. Độ mài mòn giảm 0.3 g/cm², cho thấy khả năng chống mài mòn tốt hơn.

4. Hiệu quả kinh tế và môi trường: Chi phí vật tư giảm khoảng 10% do giá thành xỉ thép thấp hơn đá dăm. Đồng thời, việc sử dụng xỉ thép góp phần giảm phát thải CO2 tới 44%, giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phế thải luyện kim.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các kết quả tích cực là do cấu trúc tinh thể đặc biệt và bề mặt thô ráp của xỉ thép giúp tăng cường độ bám dính với xi măng, cải thiện tính ổn định thể tích và khả năng chịu lực kéo uốn. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với các công trình sử dụng xỉ thép tại Trung Quốc và Úc, nơi xỉ thép được ứng dụng làm cốt liệu bê tông và bê tông nhựa.

Biểu đồ so sánh cường độ chịu nén và kéo uốn giữa BTXM dùng xỉ thép và đá dăm thể hiện sự vượt trội của xỉ thép trong các chỉ tiêu cơ lý. Bảng phân tích chi phí vật tư cũng minh chứng hiệu quả kinh tế rõ rệt.

Tuy nhiên, cần lưu ý đến độ hút nước cao của xỉ thép (khoảng 5.92%) có thể ảnh hưởng đến độ bền lâu dài nếu không được xử lý đúng cách. Ngoài ra, thành phần CaO tự do trong xỉ thép có thể gây trương nở thể tích, cần kiểm soát kỹ thuật để đảm bảo ổn định thể tích bê tông.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu lớn trong BTXM mặt đường ô tô tại Bà Rịa – Vũng Tàu: Khuyến khích các nhà thầu và chủ đầu tư sử dụng xỉ thép thay thế hoàn toàn đá dăm trong sản xuất BTXM có cường độ 36 MPa, nhằm giảm chi phí và bảo vệ môi trường. Thời gian áp dụng từ năm 2024.

2. Xây dựng quy trình xử lý và kiểm soát chất lượng xỉ thép: Thiết lập các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ hút nước, hàm lượng CaO tự do và độ trương nở thể tích của xỉ thép trước khi đưa vào sản xuất bê tông. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý vật liệu xây dựng và các nhà máy sản xuất vật liệu.

3. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ kỹ thuật và công nhân thi công: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật phối trộn, thi công và bảo dưỡng mặt đường BTXM sử dụng xỉ thép nhằm đảm bảo chất lượng công trình. Thời gian thực hiện trong 12 tháng đầu tiên.

4. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục về tính bền vững và ứng dụng mở rộng: Hỗ trợ các đề tài nghiên cứu về ảnh hưởng lâu dài của xỉ thép trong bê tông, khả năng sử dụng trong các loại bê tông đặc biệt và bê tông nhựa. Chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách giao thông: Giúp hiểu rõ tiềm năng và lợi ích của việc sử dụng xỉ thép trong xây dựng mặt đường, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển vật liệu xây dựng bền vững.

2. Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và nhà thầu thi công: Cung cấp kiến thức về kỹ thuật phối trộn, xử lý xỉ thép và thi công BTXM chất lượng cao, giúp giảm chi phí và nâng cao hiệu quả công trình.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết cấp phối bê tông, tính chất vật liệu mới và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong lĩnh vực xây dựng giao thông.

4. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Hỗ trợ đánh giá tác động môi trường của việc tái sử dụng phế thải công nghiệp, từ đó đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

Câu hỏi thường gặp

1. Xỉ thép có thể thay thế hoàn toàn đá dăm trong BTXM không?
   Nghiên cứu cho thấy xỉ thép có thể thay thế 100% cốt liệu lớn đá dăm trong BTXM với cường độ 36 MPa mà không làm giảm chất lượng cơ lý, đồng thời cải thiện một số chỉ tiêu như cường độ kéo uốn và mô đun đàn hồi.

2. Việc sử dụng xỉ thép có ảnh hưởng đến tuổi thọ mặt đường không?
   Xỉ thép có độ bền cơ học cao và khả năng chống mài mòn tốt, giúp mặt đường BTXM có tuổi thọ từ 30-40 năm, tương đương hoặc cao hơn so với bê tông truyền thống.

3. Có những rủi ro môi trường nào khi sử dụng xỉ thép?
   Xỉ thép chứa CaO tự do có thể gây trương nở thể tích và nồng độ pH cao trong chất rò rỉ, ảnh hưởng đến môi trường nước. Do đó, cần xử lý và kiểm soát kỹ thuật trước khi sử dụng.

4. Chi phí sản xuất BTXM sử dụng xỉ thép so với đá dăm như thế nào?
   Chi phí vật tư giảm khoảng 10% do giá thành xỉ thép thấp hơn đá dăm, đồng thời giảm chi phí xử lý phế thải và bảo vệ môi trường, mang lại hiệu quả kinh tế tổng thể.

5. Phương pháp thi công BTXM sử dụng xỉ thép có khác biệt gì?
   Phương pháp thi công tương tự bê tông truyền thống, tuy nhiên cần chú ý kiểm soát độ dẻo và độ sụt của hỗn hợp do đặc tính bề mặt thô ráp và độ hút nước cao của xỉ thép.

Kết luận

• Xỉ thép là vật liệu thay thế tiềm năng cho đá dăm trong sản xuất BTXM mặt đường ô tô tại Bà Rịa – Vũng Tàu, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về cường độ và độ bền.
• Việc sử dụng xỉ thép góp phần giảm thiểu khai thác tài nguyên thiên nhiên, giảm phát thải CO2 và hạn chế ô nhiễm môi trường do phế thải luyện kim.
• Thành phần cấp phối BTXM sử dụng xỉ thép được tối ưu hóa để đạt cường độ chịu nén 36 MPa, cường độ kéo uốn trên 5 MPa và mô đun đàn hồi cao hơn bê tông truyền thống.
• Cần xây dựng quy trình xử lý, kiểm soát chất lượng xỉ thép và đào tạo kỹ thuật thi công để đảm bảo hiệu quả và độ bền lâu dài của mặt đường.
• Đề xuất triển khai áp dụng trong thực tế từ năm 2024, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng và đánh giá tác động lâu dài.

Luận văn này là tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà quản lý, doanh nghiệp xây dựng, nhà nghiên cứu và cơ quan môi trường trong việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững và nâng cao chất lượng hạ tầng giao thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG XỈ THÉP TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ 1. Tổng quan về BTXM 1. Khái niệm chung Bê tông là một loại đá nhân tạo, được hình thành bởi việc trộn các thành phần: Cốt liệu thô, cốt liệu mịn, chất kết dính,. theo một tỷ lệ nhất định (được gọi là cấp phối bê tông).

Trong bê tông, chất kết dính (xi măng + nước, nhựa đường, phụ gia.) làm vai trò liên kết các cốt liệu thô (đá, sỏi,. đôi khi sử dụng vật liệu tổng hợp trong bê tông nhẹ) và cốt liệu mịn (thường là cát, đá mạt, đá xay,.) và khi đóng rắn, làm cho tất cả thành một khối cứng như đá. Có các loại bê tông phổ biến là: bê tông xi măng, bê tông nhựa, bê tông Asphalt, bê tông Polime và các loại bê tông đặc biệt khác. Về sức bền vật lý, bê tông chịu lực nén khá tốt nhưng khả năng chịu lực kéo không tốt lắm.

Vì vậy, trong xây dựng các công trình, các vật liệu chịu lực kéo tốt (ví dụ thép) được sắp xếp để đưa vào trong lòng khối bê tông, đóng vai trò là bộ khung chịu lực nhằm cải thiện khả năng chịu kéo của bê tông. Loại bê tông có phần lõi thép này được gọi là bê tông cốt thép. Các tác động khác như đóng băng hay nước ngấm vào trong bê tông cũng có thể gây ra hư hại cho loại vật liệu này. Bê tông được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình kiến trúc, móng, gạch không nung hay gạch block, mặt lát của vỉa hè, cầu và cầu vượt, đường bộ, đường băng, các cấu trúc trong bãi đỗ xe, đập, hồ chứa/bể chứa nước, ống cống, chân cột cho các cổng, hàng rào, cột điện và thậm chí là thuyền.

Một số công trình kiến trúc làm bằng bê tông nổi tiếng có thể kể đến như Burj Khalifa (tòa nhà chọc trời cao nhất thế giới), đập Hoover, kênh đào Panama và Đền Pantheon. Kỹ thuật chế tạo và sử dụng bê tông xuất hiện từ thời La Mã cổ đại và được sử dụng rộng rãi trong suốt giai đoạn tồn tại của Đế quốc La Mã. Sau 5 khi đế quốc La Mã sụp đổ, kỹ thuật sử dụng bê tông cũng bị mai một cho đến khi được tái khám phá vào giữa thế kỷ 18. Việc sản xuất và sử dụng bê tông có nhiều tác động khác nhau đến môi trường và nhìn chung cũng không hoàn toàn là tiêu cực như nhiều người nghĩ.

Mặc dù sản xuất bê tông đóng góp đáng kể vào việc sản sinh khí nhà kính, việc tái sử dụng bê tông lại rất phổ biến đối với các công trình quá cũ và quá giới hạn tuổi thọ. Những kết cấu bê tông rất bền và có tuổi thọ rất cao. Đồng thời, do khối lượng tác dụng nhiệt cao và độ thẩm rất kém, bê tông cũng là một vật liệu dùng cho nhà ở tiết kiệm năng lượng. Ưu nhược điểm của BTXM Bê tông xi măng (BTXM) là loại vật liệu đá nhân tạo nhận được sau khi tạo hình và làm rắn chắc hỗn hợp bê tông.

Hỗn hợp bê tông (bê tông tươi –fresh concrete) có thành phần được lựa chọn hợp lý gồm: xi măng, nước, cốt liệu lớn (đá dăm hoặc sỏi), cốt liệu nhỏ (cát) và phụ gia. Khi rắn chắc hồ xi măng dính kết hỗn hợp cốt liệu thành một khối đá và được gọi là bê tông. Trong bê tông cốt liệu đóng vai trò là bộ khung chịu lực, hỗn hợp xi măng và nước bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu đóng vai trò là chất kết dính và lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ. Ưu điểm: - Cường độ chịu nén cao; - Dễ tạo hình cho cấu kiện; - Giá thành hợp lý; - Chi phí duy tu bão dưỡng sửa chữa thường xuyên ít.

Nhược điểm: - Cường độ chịu kéo thấp; - Hệ số phẩm chất nhỏ; - Khả năng tái sử dụng ít. Yêu cầu kỹ thuật đối với BTXM: - Hỗn hợp bê tông phải đạt độ dẻo để dễ thi công; 6 - Sau khi rắn chắc bê tông phải đạt được các yêu cầu kỹ thuật: cường độ chịu nén ở ngày tuổi nhất định; khả năng chống thấm; bền với môi trường. Phân loại BTXM Theo cường độ chịu nén (ở 28 ngày tuổi): - Bê tông thường: Rb = 15  60 MPa; - Bê tông cường độ cao: Rb = 60  100 MPa; - Bê tông cường độ rất cao: Rb = 100  200 MPa; Theo khối lượng thể tích: - Bê tông rất nhẹ: ob < 0.5 T/m3; - Bê tông nhẹ: ob = 0.8 T/m3; - Bê tông nặng: ob = 1.5 T/m3; - Bê tông rất nặng: ob > 2.5 T/m3; Theo phạm vi sử dụng: - Bê tông công trình: Sử dụng ở các kết cấu và công trình chịu lực, yêu cầu có cường độ thích hợp và tính chống biến dạng. - Bê tông công trình cách nhiệt: Vừa yêu cầu chịu được tải trọng vừa cách nhiệt, dùng ở các kết cấu bao che như tường ngoài, tấm mái, … - Bê tông các nhiệt: Bảo đảm yêu cầu cách nhiệt của các kết cấu bao che có độ dày không lớn.

- Bê tông thủy công: Ngoài yêu cầu chịu lực và chống biến dạng, cần có độc chắc cao, tính chống thấm và bền vững dưới tác dụng xâm thực của nước môi trường. - Bê tông làm đường: Dùng làm tấm lát mặt đường, đường bang sân bay,…. Loại bê tông này cần có cường độ cao, tính chống cọ mòn lớn và chịu được biến đổi lớn về nhiệt độ và độ ẩm. - Bê tông ổn định hóa học: Ngoài yêu cầu thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật khác, cần chịu được tác dụng xâm thực của các dung dịch muối, axít, kiềm và hơi của các chất này mà không bị phá hoại hay giảm chất lượng sử dụng.

7 - Bê tông chịu lửa: Chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao trong quá trình sử dụng. - Bê tông trang trí: Dùng để trang trí bề mặt công trình, có màu sắc yêu cầu và chịu được tác dụng thường xuyên của thời tiết. - Bê tông nặng chịu bức xạ: Dùng ở các công trình đặc biệt, hút được bức xạ của tia γ hay bứt xạ nơtron. Các lý thuyết về cấp phối BTXM 1.

Khái niệm cấp phối BTXM Cấp phối bê tông là tỷ lệ thành phần các vật liệu cho 1m³ bê tông. Cấp phối bê tông phụ thuộc vào mác bê tông, kích thước cốt liệu, chất kết dính, thành phần phụ gia. Với bê tông thường cấp phối bê tông thường được hiểu là tỷ lệ các thành phần: xi măng (kg), đá (m³), cát (m³), nước (lít) cho 1m³ bê tông. Cấp phối bê tông được quy định trong định mức dự toán vật liệu theo mác bê tông.

Để có được cấp phối bê tông người ta phải tiến hành thí nghiệm nhiều lần với các tỷ lệ thành phần khác nhau để có được tỷ lệ thích hợp cho từng mác bê tông khác nhau. Lý thuyết cấp phối lý tưởng của Fuller – Thompson Bằng nghiên cứu thực nghiệm, Fuller – Thompson đã đi đến kết luận tồn tại một số thành đường cong thành phần hạt lý tưởng. Ban đầu họ cho rằng các đường cong là một phần của elip (ở vùng kích thước hạt nhỏ) và sau đó là đoạn chuyển tiếp với đường cong đó. Phương trình elip có dạng như sau: ( x  x0 ) 2 ( y  y0 ) 2  1 (1.1) a2 b2 Trong đó: a, b là trục của elip có trị số phụ thuộc kích cỡ và hình dạng hạt.

y là % vật liệu lọt qua sàng x, mm Sau đó thì Fuller và Thompson đã phát hiện các đường thành phần hạt gần với hình parabol hơn, phương trình chung là: 8 n d P  (1.2) D Trong đó: P là thành phần (%) hạt lọt qua sàng d, mm n = 0.5 D là kích thước cỡ hạt lớn nhất Dmax, mm. Lý thuyết cấp phối hạt của Wemouth Theo kết quả nghiên cứu của Weymouth về cấp phối có độ chặt lớn nhất, cho thấy rằng: lỗ rỗng giữa các vật liệu hạt có kích thước nhất định thường được chêm bởi các vật liệu có kích cỡ nhất định nhỏ hơn ngay sau nó, lỗ rỗng còn lại được chêm bởi những vật liệu có kích cỡ nhỏ hơn nữa. Nhưng kích thước của các vật liệu hạt chêm này không được lớn hơn khe hở giữa các vật liệu hạt lớn hơn, nếu không thì không lọt qua được.3) Vs ’ : Là thể tích tuyệt đối của hạt có kích thước D Vs : Là thể tích tuyệt đối của hạt có kích thước d. Lý thuyết cấp phối hạt của Bolomey Bolomey đã nhận thấy rằng các hỗn hợp đạt được bằng phương pháp Fuller cho hỗn hợp bê tông có tính công tác tương đối thấp, ông đề nghị một sự thay đổi đối với parabol của Fuller như sau: d 1/ 2 P = f  (1  f )( ) (1.4) D Trong đó f là một hằng số kinh nghiệm.

Các kí hiệu khác có cùng ý nghĩa như trên. Giá trị f được chọn phụ thuộc tính dễ đổ và hàm lượng các hạt nhỏ. Phương trình trên có thể áp dụng bình thường cho tất cả các vật liệu rắn tạo nên hỗn hợp. Nhưng trong thực tế, đường cong thành phần hạt của xi măng là không biến đổi.

Bolomey cũng chỉ áp dụng quan hệ này cho các hạt lớn hơn 0. Lý thuyết cấp phối hạt của Talbol Theo sự nghiên cứu của Talbot, nếu cấp phối phù hợp với công thức sau thì đạt được độ chặt lớn nhất: P = (d/D)n × 100 (1.5) Trong đó: P – Lượng lọt qua lỗ sàng, % d – Kích thước lỗ sàng. D – Kích thước của hạt lớn nhất. N – Hệ số, thông thường n = 0.

Lý thuyết cấp phối hạt của B. Ivanov Dựa trên cơ sở thực nghiệm, B. Okhotina đã xác định được những đặc điểm cơ bản sau: - Độ rỗng của các cấp phối làm bằng một thành phần hạt (ví dụ cát và đá dăm), trong đó các hạt có kích cỡ gần nhau và chênh lệch nhau 2 lần, sẽ như nhau khi tỷ lệ khối lượng của các loại hạt trong cấp phối bằng nhau. Nói một cách khác, khi cùng tăng hoặc cùng giảm kích thước của tất cả các loại hạt với số lần như nhau, thì độ rỗng sẽ không thay đổi.

- Độ rỗng của cấp phối sẽ nhỏ nhất, nếu kích thước các loại hạt chèn vào lỗ rỗng của các loại hạt to hơn lần lượt giảm đi 16 lần và khối lượng của các hạt sau (nhỏ hơn) bằng 43% khối lượng của các loại hạt trước (lớn hơn). Như vậy có nghĩa là: Nếu hạt to có kích thước 16 ÷ 32mm, thì các loại hạt sau có kích thước lần lượt là 1 ÷ 2; 0.