i
l
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU
1
1. Đặt vấn đề
1
2. Mục đích nghiên cứu
2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ ỨNG DỤNG TRONG
XÂY DỰNG ĐƯỜNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
3
1.1. Khái niệm về bê tông đầm lăn
3
1.1.1. Quá trình hình thành cường độ
3
1.1.2. Đặc điểm của BTĐL
5
1.1.2.1.Thành phần vật liệu
5
1.1.2.2. Phương pháp thiết kế cấp phối
6
1.1.2.3. Công nghệ thi công
10
1.1.3. Những điểm khác nhau cơ bản giữa BTT và BTĐL
12
1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng BTĐL trong công trình xây dựng đường ô tô
và sân bay
15
1.2.1. Trên thế giới
15
1.2.1.1. Lịch sử ra đời và quá trình phát triển
15
1.2.1.2. Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng
18
1.2.2. Tại Việt Nam
21
1.2.2.1. Thực trạng ứng dụng BTĐL
21
1.2.2.2. Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu và ứng dụng BTĐL
24
1.2.2.3. Tiềm năng ứng dụng công nghệ BTĐL
27
i
ii
1.3. Các thông số chủ yếu của vật liệu bê tông cho thiết kế mặt đường ô tô và đường
sân bay ở Việt Nam
28
1.4. Những vấn đề tồn tại luận án cần giải quyết
33
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
34
1.5.1. Mục tiêu
34
1.5.2. Nội dung
34
1.6. Phương pháp nghiên cứu
35
1.7. Kết luận chương 1
35
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THIẾT KẾ
36
THÀNH PHẦN BÊ TÔNG ĐẦM LĂN
36
2.1. Nghiên cứu vật liệu sử dụng
36
2.1.1. Cốt liệu lớn và nhỏ
36
2.1.1.1. Cốt liệu lớn
36
2.1.1.2. Cốt liệu nhỏ
37
2.1.1.3. Lựa chọn hợp lý cấp phối các cốt liệu
38
2.1.1.4. Đánh giá các cấp phối cốt liệu bằng thực nghiệm
45
2.1.2. Xi măng
47
2.1.3. Phụ gia khoáng
47
2.1.3.1. Phân loại và yêu cầu kỹ thuật phụ gia khoáng trong BTĐL
47
2.1.3.2. Vai trò của phụ gia khoáng
50
2.1.3.3. Cơ sở lựa chọn lượng PGK trong BTĐL
51
2.1.4. Nước
53
2.2. Nghiên cứu thiết kế thành phần BTĐL trong xây dựng đường
2.2.1. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng chính
ii
53
53
iii
2.2.1.1. Độ công tác
53
2.2.1.2. Cường độ chịu nén và kéo uốn
64
2.2.2. Xác định phương pháp thiết kế thành phần BTĐL
72
2.2.2.1. Trình tự thiết kế
72
2.2.2.2. Đánh giá độ tin cậy
73
2.3. Kết luận chương 2
78
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CHỦ YẾU
79
CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN
79
3.1. Tính chất công tác
79
3.1.1. Yêu cầu về độ công tác trong xây dựng đường
79
3.1.2. Đánh giá tổn thất độ công tác
80
3.1.3. Thời gian đông kết
82
3.2. Tính chất cơ học của hỗn hợp bê tông đầm lăn
84
3.2.1. Cường độ chịu nén
84
3.2.2. Cường độ chịu kéo khi uốn
86
3.2.2.1. Quan hệ giữa cường độ chịu kéo khi uốn và cường độ chịu nén
86
3.2.2.2. Ảnh hưởng của tải trọng trùng phục đến cường độ chịu kéo uốn
89
3.2.3. Mô đun đàn hồi
91
3.2.5. Độ mài mòn
94
3.3. Tính chất vật lý
97
3.3.1. Khối lượng thể tích
97
2.3.2. Độ co ngót
98
3.3.3. Hệ số giãn nở nhiệt
106
Kết luận chương 3
111
iii
iv
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO THIẾT KẾ
112
KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG CỨNG TẠI VIỆT NAM
112
4.1. Tổng quan về các yêu cầu thiết kế mặt đường, móng đường
112
4.1.1. Yêu cầu về thiết kế cấu tạo mặt đường
112
4.1.2. Yêu cầu kỹ thuật lớp móng mặt đường
113
4.1.3. Yêu cầu đối với vật liệu
114
4.2. Tính toán và đề xuất kết cấu áo đường với vật liệu BTĐL
115
4.2.1. Các thông số thiết kế mặt đường
115
4.2.2. Đề xuất mô hình kết cấu áo đường BTĐL cho đường giao thông cấp thấp
117
4.2.2.1. Xác định chiều dài cho phép của tấm BTĐL
117
4.2.2.2. Phân tích kết cấu mặt đường dùng BTĐL làm lớp mặt cho đường cấp thấp
118
4.2.3. Tính toán kết cấu móng mặt đường cứng sử dụng BTĐL làm lớp móng
121
4.3. Kết luận chương 4
122
PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
123
1. Kết luận
123
2. Những đóng góp mới của luận án
123
3. Hạn chế
124
4. Kiến nghị
124
5. Hướng nghiên cứu tiếp theo
124
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
II
iv
I
v
PHỤ LỤC A. KHÁI QUÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ
THÀNH PHẦN HẠT TỐI ƯU
VIII
IX
PHỤ LỤC B. TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BTĐL THEO
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP
XVII
PHỤ LỤC C. BẢNG TÍNH CÁC KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG
XXV
PHỤ LỤC D. KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG CỨNG VỚI MÓNG BTĐL
XXX
v
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Ý nghĩa
BTĐL
Bê tông đầm lăn
BTT
Bê tông thông thường
BT
Bê tông
BTXM
Bê tông xi măng không có phụ gia khoáng
KLTT
Khối lượng thể tích
TTTĐ
Thể tích tuyệt đối
TTHH
Thể tích hỗn hợp
PP
Phương pháp
N/CKD
Tỷ lệ nước và chất kết dính
CKD
Chất kết dính
C/CL
Tỷ lệ cát và cốt liệu
XM
Xi măng
PGK
Phụ gia khoáng
TB
Tro bay
N
Nước
C
Cát
Đ
Đá
KCAD
Kết cấu áo đường
HHBT
Hỗn hợp bê tông
HH
Hỗn hợp
TPH
Thành phần hạt
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
PPTK
Phương pháp thiết kế
KLTT
Khối lượng thể tích
TKBT
Thiết kế bê tông
CTE
Hệ số giãn nở nhiệt
MĐĐL
Mô đun độ lớn
vi
vii
VC
Độ công tác
CSH
Sản phẩm ettrignit
PTHQ
Phương trình hồi quy
LVDT
Thiết bị cảm biến đo độ võng
vii
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc điểm chính của BTĐL
5
Bảng 1.2. Một số công trình đập đã được xây dựng ở trong nước
22
Bảng 1.3. Bảng tính cường độ yêu cầu khi không có dữ liệu thí nghiệm
30
(theo tiêu chuẩn ACI)
30
Bảng 1.4. Các chỉ tiêu cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông làm đường
31
theo Tiêu chuẩn 22TCN 223-95
31
Bảng 2.1. Tính chất cơ lý của cốt liệu lớn
36
Bảng 2.2. Tính chất cơ lý của cốt liệu nhỏ
37
Bảng 2.3. Thành phần hạt cốt liệu cát và đá dăm
40
Bảng 2.4. Kết quả tính toán chi tiết các cấp phối cốt liệu theo từng mức ngậm cát
42
Bảng 2.5. Chỉ số độ thô của các cấp phối
43
Bảng 2.6. Bảng thành phần cấp phối BTĐL với mức ngậm cát khác nhau.
45
Bảng 2.7. Bảng chỉ tiêu yêu cầu PGK của ASTM C618
49
Bảng 2.8. Các tính chất cơ lý của tro bay Vina F&C
49
Bảng 2.9. Vùng biến đổi của các biến
55
Bảng 2.10. Kết quả thí nghiệm tính công tác của BTĐL
56
Bảng 2.11. Thông tin mô hình hồi quy cho kết quả thí nghiệm độ công tác
57
Bảng 2.12. Phân tích phương sai ANOVA cho mô hình hồi quy đã xây dựng
58
Bảng 2.11. Kết quả lượng nước hợp lý của BTĐL
63
Bảng 2.12. Thành phần bê tông đầm lăn tính cho 1m3
65
Bảng 2.13. Cường độ chịu nén trung bình của BTĐL với tỷ lệ N/CKD và TB
66
Bảng 2.14. Phương trình tương quan giữa Rn28 của BTĐL và tỷ lệ N/CKD
67
Bảng 2.15. Hệ số hồi quy A, B khi thay đổi hàm lượng TB
69
Bảng 2.16. Cường độ chịu kéo uốn trung bình với tỷ lệ N/CKD và TB
69
Bảng 2.17. Phương trình tương quan giữa Rku28 và tỷ lệ N/CKD
70
viii
ix
Bảng 2.18. Quan hệ giữa cường độ nén BTĐL và tỷ lệ N/CKD
71
Bảng 2.19. Cường độ yêu cầu theo ACI 214
73
Bảng 2.20. Thống kê kết quả thí nghiệm cường độ nén
74
Bảng 3.1. Kết quả đo tính công tác VC, s
80
Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm độ kháng xuyên của vữa BTĐL
83
Bảng 3.3. Thành phần vật liệu và kết quả cường độ chịu nén của BTĐL
84
Bảng 3.4. Mối quan hệ giữa cường độ nén (Rn) với thời gian t tính theo Ln(t)
86
Bảng 3.5. Kết quả cường độ chịu uốn tương ứng với cường độ nén
86
Bảng 3.6. Kết quả cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo uốn
88
Bảng 3.7. Kết quả mô đun đàn hồi tương ứng với cường độ nén
92
Bảng 3.8. Kết quả mô đun đàn hồi tương ứng với cường độ nén
93
Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm độ mài mòn của bê tông
96
Bảng 3.10. Thành phần hỗn hợp BTĐL và BTT
101
Bảng 3.11. Độ giãn nở nhiệt CTE với các loại cốt liệu khác nhau
106
(theo Jahangirnejad et al – 2009, Neville và Brooks - 1987), [72]
106
Bảng 4.1. Chiều dày tấm BTĐL
113
Bảng 4.2. Chiều dài tính toán tối đa của BTĐL và BTT
118
Bảng 4.3. Ứng suất chịu tải trọng và nhiệt của các mô hình kết cấu
120
Bảng A.1. Lượng sót trên mỗi mắt sàng, %
xiv
Bảng B.1. Xác định thể tích đặc của cốt liệu lớn Vđ
xvii
Bảng B.2. Hệ số hồi quy và loại cốt liệu
xix
Bảng B.3. Lượng nước sơ bộ
xix
Hình B.3. Biểu đồ quan hệ giữa độ ẩm và tỷ trọng khô
xxiii
Hình B.4. Biểu đồ quan hệ giữa cường độ nén và chất kết dính
xxiv
ix
x
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ thi công mặt đường bằng công nghệ BTĐL
11
Hình 1.2. Rải hỗn hợp BTĐL
11
Hình 1.3. Lu lèn BTĐL bằng lu rung
11
Hình 1.4. Hoàn thiện bề mặt BTĐL bằng lu bánh hơi
12
Hình 1.5. Phun nước dạng sương bảo dưỡng mặt đường
12
Hình 1.6. Biểu đồ vật liệu sử dụng trong BTĐL và BTT [74]
12
Hình 1.7. Hình ảnh thi công mặt đường BTĐL [74]
14
Hình 1.8. Biểu đồ về quá trình phát triển cường độ của BTT và BTĐL [74]
14
Hình 1.9. Số lượng đập BTĐL (cao trên 15m) được xây dựng tại một số quốc gia trên thế
giới tính tới 1998 [69].
15
Hình 1.10. Sơ đồ lịch sử phát triển công nghệ bê tông đầm lăn làm mặt đường, mặt bãi
theo [74]
18
Hình 1.11. Xây dựng đập BTĐL thủy điện Trung Sơn (Thanh Hóa)
23
Hình 1.12. Thi công thử nghiệm mặt đường BTĐL - IBST thực hiện 2001[13]
24
Hình 1.13. Quá trình thay đổi ứng suất do co ngót và phát triển cường độ chịu kéo của bê
tông theo thời gian
32
Hình 2.1. Các cỡ hạt cốt liệu tại các cỡ sàng khác nhau
41
Hình 2.2. Cấp phối các cốt liệu theo mức ngậm cát
42
Hình 2.3. Chỉ số độ thô của các cấp phối cốt liệu
44
Hình 2.4. Mối quan hệ giữa tỷ lệ C/Cl và độ cứng VC
46
Hình 2.5. Mối quan hệ giữa tỷ lệ C/Cl và cường độ chịu nén
46
Hình 2.6. Toạ độ các điểm thí nghiệm theo không gian
55
Hình 2.7. Đồ thị đánh giá số dư hàm VC
60
Hình 2.8. Quan hệ giữa VC, N và N/CKD với C/CL = 0,42
61
Hình 2.9. Quan hệ giữa VC, N và C/CL với N/CKD = 0,44
61
Hình 2.10. Quan hệ giữa VC, N/CKD và C/CL với N = 120l
62
x
xi
Hình 2.11. Sự phát triển cường độ của bê tông
64
Hình 2.11. Các mẫu được đúc, bảo dưỡng và nén để xác định cường độ
66
Hình 2.12. Quan hệ giữa Rn28 với tỷ lệ N/CKD
67
Hình 2.13. Quan hệ giữa Rn28 của BTĐL với tỷ lệ CKD/N
69
Hình 2.14. Quan hệ giữa Rku28 với tỷ lệ N/CKD
70
Hình 2.15. Quan hệ giữa Rku và Rn
71
Hình 2.16. Biểu đồ kiểm soát chất lượng BTĐL có mác M30
76
Hình 2.17. Biểu đồ kiểm soát chất lượng BTĐL có mác M35
76
Hình 3.1 Độ cứng HHBTĐL theo thời gian (tmt= 200C 30oC)
81
Hình 3.2 Sự thay đổi thời gian đông kết của vữa BTĐL
83
Hình 3.3. Quan hệ giữa cường độ chịu nén và thời gian
85
Hình 3.4. Quan hệ giữa cường độ nén và cường độ kéo uốn
87
Hình 3.5. Quan hệ giữa cường độ nén và cường độ kéo uốn
88
Hình 3.6. Sự phát triển cường độ kéo uốn theo thời gian [68]
89
Hình 3.7. Quan hệ giữa tải trọng trùng phục và sự suy giảm cường độ kéo uốn [9]
90
Hình 3.8. Hình ảnh thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi
91
Hình 3.9. Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu nén
92
Hình 3.10. Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi
94
Hình 3.11. Thiết bị thí nghiệm mài mòn
95
Hình 3.13. Mẫu thử mài mòn theo TCVN 3114-93
95
Hình 3.13. Mối quan hệ giữa cường độ chịu nén và độ mài mòn
97
Hình 3.14. Hình ảnh quá trình đúc mẫu và cân đo mẫu sau khi tháo khuôn
98
Hình 3.15. Sơ đồ các giai đoạn và các kiểu co ngót của bê tông [16]
98
Hình 3.16. Nhiệt lượng tỏa ra theo thời gian
98
Hình 3.17. Ứng suất kéo các hạt xi măng xích lại gần nhau do các phân tử nước thoát ra
ngoài
99
Hình 3.18. Độ co ngót của BT trong các môi trường khác nhau [ Holt, 2001]
xi
101
xii
Hình 3.19. Ảnh hưởng của nước và xi măng đến độ co ngót [60]
101
Hình 3.20. Đúc mẫu bằng bàn rung, mẫu và tủ bảo dưỡng đo co ngót
102
Hình 3.21. Chi tiết thiết bị đo
102
Hình 3.22. Thí nghiệm đo độ co ngót
103
Hình 3.23. Co ngót tổng cộng của
104
BTT và BTĐL
104
Hình 3.24. Quan hệ độ co ngót BTĐL - thời gian
104
Hình 3.25. Co ngót nội sinh của
104
BTĐL và BTT
104
Hình 3.26. Co ngót khô của
104
BTĐL và BTT
104
Hình 3.27. Các thiết bị thí nghiệm dùng để xác định CTE
107
Hình 3.28. Sơ đồ xác định độ giãn nở của bê tông do nhiệt
108
Hình 3.29. Quá trình thí nghiệm xác định độ giãn nở nhiệt CTE
108
Hình 3.30. Kết quả thí nghiệm CTE của BTT và BTĐL
109
Hình 3.31. Mối quan hệ giữa CTE và mức độ đứt gãy [83]
110
Hình 3.32. Mối quan hệ giữa CTE và độ bằng phẳng IRI [83]
110
Hình 4.1. Mặt bằng bố trí tấm BTĐL
118
Hình 4.2. Mô hình kết cấu 1 (KC1)
119
Hình 4.3. Mô hình kết cấu 2 (KC2)
119
Hình 4.4. Mô hình kết cấu 3 (KC3)
119
Hình 4.5. Biểu đồ ứng suất tính toán của các kết cấu
120
Hình 4.6. Lớp móng BTĐL (KC4)
121
Hình A.1. Phạm vi cấp phối thành phần hạt theo ASTM C33
xi
Hình A.2. Biểu đồ chỉ số độ thô
xii
xii
1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) đã được ứng dụng hơn 100 năm qua, đây là
một trong hai loại hình mặt đường chính dùng trong xây dựng đường bộ và sân bay, đóng
vai trò quan trọng trong việc hình thành nên mạng lưới giao thông. Mặt đường BTXM có
mặt trên tất cả các cấp đường giao thông, đã và đang tiếp tục xây dựng và phát triển ở hầu
hết các nước trên thế giới, tập trung nhiều ở các nước có nền kinh tế phát triển như
Canada, Mỹ, Đức, Anh, Hà Lan, Trung Quốc. Tỷ lệ mặt đường BTXM ở các nước này
chiếm khoảng 40%, còn ở Việt Nam thì tỷ lệ này vẫn rất thấp khoảng 2,5%.
Trong quá trình phát triển với sự xuất hiện của nhiều vật liệu mới và công nghệ thi
công liên tục được cải tiến đã thúc đẩy sự ra đời của nhiều loại mặt đường, trong đó phải
kể đến công nghệ bê tông đầm lăn. Bê tông đầm lăn (BTĐL) là bê tông không có độ sụt
được đầm chặt bằng lu rung với thành phần tương tự như bê tông xi măng. Công nghệ
này bắt đầu được áp dụng từ những năm 60 ở một số nước như Canada, Italia, Đài loan
và sau đó đã được lần lượt áp dụng ở nhiều nước khác nhờ các đặc tính ưu việt như tốc
độ thi công nhanh, giá thành thấp so với bê tông thông thường (BTT), đặc biệt là cho một
số đập thủy lợi, thủy điện lớn. Đối với công nghệ mới này, sự lựa chọn loại vật liệu sử
dụng, sau đó là chất lượng và lượng dùng của chúng là nhân tố chính ảnh hưởng đến chất
lượng và giá thành của sản phẩm. Giống như với BTT, các thành phần vật liệu của BTĐL
gồm: chất kết dính, cốt liệu, nước và phụ gia hóa học. Tuy nhiên điểm khác giữa hai loại
bê tông này là chất kết dính sử dụng cho BTĐL ngoài xi măng còn có thêm phụ gia
khoáng được xem như là thành phần bắt buộc. Phụ gia khoáng có vai trò quan trọng trong
việc cải thiện các tính chất của bê tông và thỏa mãn các yêu cầu cần thiết trong qui trình
thi công.
Ở Việt Nam những năm gần đây, hàng loạt các công trình thủy điện được xây
dựng mà ở đó vai trò của BTĐL đã thực sự được khẳng định. Tuy nhiên, việc ứng dụng
BTĐL trong xây dựng hạ tầng giao thông chưa có nhiều. Trong khi đó hàng loạt các công
trình đường giao thông qua các vùng thường xuyên chịu lũ lụt, các bãi đỗ xe, sân cảng và
sân bãi các công trình công nghiệp lớn, đang và sẽ được xây dựng trong tương lai gần.
2
Năm 2013, Bộ giao thông vận tải ban hành Thông tư số 12/2013/TT – BGTVT về việc
“Quy định sử dụng kết cấu mặt đường bê tông xi măng trong đầu tư xây dựng công trình
giao thông”. Thông tư đã hướng dẫn cụ thể về việc lựa chọn kết cấu mặt đường BT cũng
như các quy định pháp lý cho công tác thiết kế và thi công cho loại hình mặt đường này.
Điều này càng khẳng định thêm xu thế sử dụng mặt đường bê tông trong những năm sắp
tới ở Việt Nam. Trong tình hình kinh tế suy thoái như hiện nay, làm đường bê tông là một
giải pháp kích cầu mà Đảng và Nhà nước ta khuyến khích. Điều này không chỉ thúc đẩy
ngành xi măng trong nước phát triển, tạo việc làm cho người lao động mà còn giảm nhập
siêu do hàng năm Việt Nam phải nhập khẩu hàng trăm tấn nhựa đường, góp phần hiện
thực hóa các giải pháp kích cầu của Chính phủ trong giai đoạn hiện nay.
Vì vậy, từ thực tế này cho thấy việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ BTĐL vào
trong xây dựng giao thông là thực sự cần thiết, góp phần giảm giá thành đầu tư công trình
mà vẫn đảm bảo tốt chất lượng, mang lại ý nghĩa thiết thực giúp cho công tác xây dựng ở
nước ta làm chủ được một loại hình công nghệ tiên tiến, đồng thời phát huy các nguồn
lực sẵn có trong nước.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là làm rõ các tính chất cơ lý chủ yếu của BTĐL,
để áp dụng cho các công trình đường giao thông trên cơ sở nguyên vật liệu, thiết bị sẵn
có trong điều kiện khí hậu ở Việt Nam.
Mong muốn kết quả nghiên cứu này sẽ trở thành cơ sở cho việc thiết kế hỗn hợp
BTĐL và là cơ sở ứng dụng vật liệu trong công tác thiết kế kết cấu áo đường cứng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng của luận án là nghiên cứu BTĐL để ứng dụng trong xây dựng đường
giao thông ở Việt Nam.
Phạm vi nghiên cứu là lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần, xác định một số tính
chất cơ bản của BTĐL trong phòng thí nghiệm. Trên cơ sở đó đề xuất một số phương án
kết cấu phù hợp với các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế và điều kiện môi trường ở Việt Nam.
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN VÀ ỨNG DỤNG TRONG
XÂY DỰNG ĐƯỜNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
Mục đích của chương này nhằm đánh giá tình hình nghiên cứu, ứng dụng vật liệu
bê tông đầm lăn trong nước và trên thế giới, từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu của luận
án cho ứng dụng trong xây dựng đường ở Việt Nam.
1.1. Khái niệm về bê tông đầm lăn
1.1.1. Quá trình hình thành cường độ
Quá trình hình thành cường độ của BTĐL cũng tương tự như BTT, cơ bản dựa
trên quá trình hình thành cường độ của đá xi măng. Trước khi tạo hỗn hợp bê tông và bắt
đầu đông kết, hồ xi măng tạo thành sau khi nhào trộn xi măng với nước thành loại huyền
phù đặc có cấu trúc ngưng tụ. Trong đó những hạt rắn hút nhau bằng lực Vanđecvan và
liên kết với nhau bằng lớp vỏ hydrat. Cấu trúc này sẽ bị phá hủy khi có lực cơ học tác
dụng (nhào, trộn, rung và đầm) nó trở thành chất lỏng nhớt, dễ tạo hình. Việc chuyển hồ
sang trạng thái chảy mang đặc trưng xúc biến, khi loại bỏ tác dụng của lực cơ học thì liên
kết cấu trúc trong hệ lại được phục hồi. Tính chất cơ học của hồ xi măng tăng theo mức
độ thủy hóa của xi măng. Theo thuyết Baikov – Rebinder, sự hình thành cấu trúc của hồ
xi măng và cường độ của nó diễn ra theo các giai đoạn như sau:
- Giai đoạn hòa tan: khi nhào trộn xi măng với nước, các thành phần khoáng
clanhke sẽ tác dụng với nước ngay trên bề mặt của hạt xi măng. Những sản phẩm mới tan
được như Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O sẽ hòa tan vào trong nước. Tuy nhiên độ tan của
chúng không lớn do lượng nước có hạn nên dung dịch nhanh chóng trở nên bão hòa.
Những phân tố cấu trúc đầu tiên được hình thành sau khi nhào trộn xi măng với nước là
etringit, hydroxit canxi và các sợi gen Ca(OH)2 xuất hiện vài giờ sau đó. Những lớp gen
mỏng tạo thành xen giữa các tinh thể Ca(OH)2 làm đặc chắc thêm hồ xi măng.
- Giai đoạn hóa keo: dung dịch quá bão hòa, các sản phẩm Ca(OH)2,
3CaO.Al2O3.6H2O mới tạo thành sẽ không tan nữa mà tồn tại ở trạng thái keo, trong khi
đó các sản phẩm ettringit (CSH) vốn không tan, nên vẫn tồn tại ở thể keo phân tán. Nước
vẫn tiếp tục mất đi (bay hơi, phản ứng với xi măng), các sản phẩm mới tiếp tục tạo thành,
4
tỷ lệ rắn so với lỏng ngày một tăng, hỗn hợp mất dần tính dẻo, các sản phẩm ở thể keo
liên kết với nhau thành thể ngưng keo.
- Giai đoạn kết tinh: nước ở thể ngưng keo vẫn tiếp tục mất đi, các sản phẩm mới
ngày càng nhiều, chúng kết tinh lại thành tinh thể rồi chuyển sang thể liên tinh làm cho cả
hệ thống hóa cứng. Đến cuối giai đoạn đông kết cấu trúc của hồ xi măng được hình thành
làm cho nó biến đổi thành đá xi măng và khả năng chịu lực tăng lên. Sự hình thành cấu
trúc của đá xi măng trải qua các quá trình vật lý và hóa học phức tạp, là sự biến đổi tổng
hợp mà ở đó các quá trình xảy ra đồng thời, xen kẽ và tác dụng tương hỗ nhau.
Mặc dù, trong BTĐL lượng nước và lượng xi măng ít hơn nhiều so với BTT, song
các quá trình thủy hỏa của xi măng vẫn diễn ra phức tạp như bản chất vốn có của nó,
đồng thời là cơ sở căn bản cho sự hình thành cường độ bê tông sau này. Tuy nhiên, do
lượng hồ xi măng không đủ lấp đầy khoảng rỗng giữa các hạt cốt liệu và bôi trơn bề mặt
các hạt cốt liệu, nên hỗn hợp bê tông bị rời rạc và kém dẻo. Sự bổ sung của thành phần
phụ gia khoáng (PGK) cùng với xi măng tạo thành chất kết dính cho cốt liệu lớn (bộ
khung chịu lực chính của kết cấu). Phụ gia khoáng sẽ góp phần tăng thể tích hồ, bổ sung
lượng hạt mịn còn thiếu để lấp đầy lỗ rỗng tại các khe giữa các hạt cốt liệu tăng tính dẻo
cho hỗn hợp, tăng độ đặc chắc cho bê tông, do đó làm tăng khả năng chịu lực và chống
thấm của bê tông. Ngoài ra, nó còn làm giảm lượng nhiệt tỏa ra từ các sản phẩm của quá
trình thủy hóa xi măng, giảm độ co ngót cho bê tông, đây là nguyên nhân chính gây ra
rạn nứt phá hoại kết cấu bê tông sau này.
Bên cạnh đó, lực chấn động cũng là yếu tố quan trọng khác góp phần hình thành
nên cường độ cho BTĐL. Trong giai đoạn đầu, nhờ máy trộn cưỡng bức, các thành phần
trong hỗn hợp BTĐL có sự phân bố đồng đều không bị phân tầng hay vón cục. Trong giai
đoạn thi công, với lu rung bánh thép gây ra một áp lực lớn lên hỗn hợp, làm cho các
thành phần được xắp xếp chặt chẽ, kết cấu của BTĐL càng đặc chắc hơn. Với hàm lượng
nước ít chỉ đủ cho quá trình thủy hóa của xi măng, nên hạn chế phần nào lượng nước dư
thừa bay hơi gây ra lỗ rỗng là nguyên nhân làm giảm cường độ của bê tông.
So với BTT thì cường độ của BTĐL được hình thành sớm hơn, mặc dù sự phát
triển cường độ của nó vẫn biến đổi liên tục theo thời gian. Đến một giai đoạn sự phát
5
triển đó được ổn định, tuy nhiên quá trình hình thành cường độ của nó là một quá trình
phức tạp, mà ở đó sự biến đổi cơ – lý - hóa xen kẽ nhau và tác dụng tương hỗ bổ sung
nhau.
1.1.2. Đặc điểm của BTĐL
1.1.2.1.Thành phần vật liệu
Bê tông đầm lăn sử dụng trong xây dựng đường và đập về cơ bản có thành phần
vật liệu giống nhau (gồm đá, cát, xi măng, phụ gia khoáng và nước), tuy nhiên về hàm
lượng các thành phần trong hỗn hợp thì lại phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật của mỗi loại
công trình. Theo [76] thì yêu cầu về vật liệu cho BTĐL có những đặc điểm như trong
bảng 1.1.
Bảng 1.1. Đặc điểm chính của BTĐL
Thành phần
Trong xây dựng đập
Trong xây dựng đường
Lượng chất kết dính (kg/m3)
60 250
Tỷ lệ N/CKD
0,4 0,8
0,3 0,4
75
20
15
45
10 25
30 60
Đường kính của cốt liệu lớn (mm)
Cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi
(MPa)
Độ công tác (sec.)
Ngoài ra, cốt liệu dùng cho BTĐL cần phải thỏa mãn tiêu chuẩn về thành phần hạt
không chỉ cho từng loại cốt liệu mà tất cả hỗn hợp các thành phần. Do cốt liệu chiếm từ
75% ÷ 85% tổng thể tích của BTĐL nên việc lựa chọn thích hợp loại cốt liệu, thành phần
hạt sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của bê tông.
Mục đích của việc thiết kế cấp phối hợp lý là nhằm đạt được một hỗn hợp chặt với
độ ổn định cao, độ rỗng nhỏ giữa các thành phần cốt liệu, đảm bảo được chèn lấp bằng
một lượng chất kết dính thích hợp, để hỗn hợp vật liệu có được những tính chất cần thiết
cho xây dựng. Hiện nay có rất nhiều PPTK tối ưu thành phần hạt như Fuller – Thomson,
biểu đồ lượng sót riêng biệt (Percent Retained Chart), đồ thị chỉ số độ thô (Coarseness
Factor Chart), đồ thị 0.45 Power, ASTM C33, ACI 211 và phương pháp số. Nội dung
6
các phương pháp được trình bày trong phụ lục A. Mặc dù vậy, dù thiết kế theo cách thức
nào thì cũng dựa trên những nguyên tắc chung như:
-
Với mỗi cấp phối các cốt liệu sẽ tương ứng với một lượng chất kết dính nhất
định, có một hỗn hợp tối ưu với tỷ lệ nước và chất kết dính là thấp nhất và tạo
ra hỗn hợp có cường độ cao nhất.
-
Trong hỗn hợp tối ưu, sự cản trở của các hạt vật liệu là tối thiểu do đó đáp ứng
tốt với đầm rung có biên độ và tần số cao.
Hỗn hợp tối ưu không được sử dụng cho mọi công trình xây dựng do có sự thay
đổi những yêu cầu trong quá trình thi công và hoàn thiện. Do vậy, mà cấp phối trộn các
cốt liệu được tính toán theo các tiêu chuẩn tối ưu mới chỉ là những định tính ban đầu,
việc tiến hành thực nghiệm là rất quan trọng nhằm đánh giá cụ thể hơn nữa về cốt liệu sử
dụng có phù hợp hay không.
1.1.2.2. Phương pháp thiết kế cấp phối
Lựa chọn PPTK thành phần hỗn hợp BTĐL hợp lý là một bước rất quan trọng đảm
bảo chất lượng của bê tông, đồng thời đảm bảo tính kinh tế và tính bền lâu cho công
trình. Để BTĐL đạt được độ chặt như yêu cầu thì hỗn hợp phải đủ khô để chịu được tác
động của thiết bị đầm lăn và phải đủ ướt để cho phép chất kết dính đủ để phân bố, bao
bọc và lấp đầy chỗ trống giữa các cốt liệu trong quá trình trộn và đầm nén.
Hiện nay có rất nhiều PPTK thành phần bê tông đã được đề xuất và ứng dụng trên
toàn thế giới cho hỗn hợp BTĐL. Do vậy, rất khó để xác định phương pháp nào để làm
chuẩn, tuy nhiên có hai quan điểm thiết kế hỗn hợp BTĐL chính như sau:
- Quan điểm bê tông: dựa vào tỷ lệ N/CKD được giữ không đổi và hỗn hợp trộn
được xác định bằng khối lượng tuyệt đối.
- Quan điểm cơ học đất: dựa vào mối quan hệ giữa chất kết dính, cốt liệu và hỗn
hợp được trộn xác định bởi độ ẩm tối ưu và tỷ trọng khô lớn nhất.
Dù thiết kế theo bất kỳ phương pháp nào thì mục đích chính của việc thiết kế BTĐL đều
phải đảm bảo các yếu tố như:
7
- Có đủ lượng vữa cần thiết để bao bọc xung quanh các hạt cốt liệu và lấp đầy lỗ
rỗng giữa chúng.
- Có thể chế tạo được BTĐL với cường độ và mô đun đàn hồi theo yêu cầu.
- Khả năng thi công dễ dàng để đạt được độ chặt như yêu cầu và có tuổi thọ công
trình cao.
Theo quan điểm thiết kế bê tông:
- Thành phần BTĐL được lựa chọn dựa trên quan hệ giữa cường độ nén và một số
tính chất khác với tỷ lệ N/CKD được Abrams thiết lập vào năm 1918. Quan điểm của bê
tông cho rằng lượng hồ xi măng cần vừa đủ để lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu
để hỗn hợp bê tông sau khi lèn chặt có độ rỗng nhỏ nhất.
- Tính công tác được xác định bằng chỉ số độ cứng (VC) nằm trong khoảng 30s
40s phù hợp cho mặt đường BTĐL, tuy nhiên nên kiểm tra lại chỉ số này tại hiện trường.
- Thường yêu cầu hàm lượng cụ thể như lượng nước, lượng CKD, lượng cốt liệu và
sau đó biến đổi một trong các thông số đó để có được độ đặc chắc như yêu cầu. Cho nên
mỗi thông số trong hỗn hợp có thể được tối ưu hóa để đạt được độ chặt như mong muốn.
Phương pháp ACI 211.3R-02– Theo Hiệp hội Bê tông Mỹ, thì N/CKD được xác định theo
đồ thị căn cứ vào cường độ yêu cầu của BT và tỷ lệ pha trộn PGK. Thể tích cốt liệu lớn
chọn theo bảng thiết lập sẵn, căn cứ vào Dmax cốt liệu, C/CL xác định bằng thí nghiệm.
Các thông số còn lại tính toán từ phương trình thể tích tuyệt đối (TTTĐ) (trình tự các
bước thiết kế xem phụ lục B).
Nhận xét:
- Phụ gia khoáng thay thế một phần xi măng theo thể tích tuyệt đối;
- Trong biểu đồ lựa chọn các tỷ lệ, cường độ nén của BT chỉ giới hạn bởi một số
cường độ cụ thể như: 13,79MPa ở 90 ngày tuổi; 20,68MPa; 27,58MPa; 34,47 MPa ở 28
ngày tuổi. Do vậy, khi thiết kế thành phần bê tông mác cao hơn trong xây dựng đường thì
việc sử dụng phương pháp này bị hạn chế.
8
Phương pháp RCCD (Roller -Compacted Concrete Dams) - Trung Quốc
Thiết kế thành phần tương tự như BTT, dùng nguyên lý bao bọc lấp kín và tính
toán các thành phần bằng phương trình TTTĐ (trình tự các bước thiết kế xem phụ lục B).
Việc tính hàm lượng CKD dựa trên công thức:
R90 ARckd (
CKD
B)
N
(1.1)
trong đó:
R90 là cường độ BTĐL ở tuổi 90 ngày, MPa;
Rckd là cường độ của CKD ở tuổi 28 ngày, MPa;
N, CKD lần lượt là lượng dùng nước, chất kết dính bao gồm xi măng và phụ gia
khoáng, kg/m3;
A, B là hệ số phương trình hồi qui được xác định bằng thí nghiệm.
Sau khi tính toán, đúc mẫu thử trong phòng thí nghiệm, điều chỉnh các thông số để
BTĐL có được những tính chất kỹ thuật yêu cầu và đạt hiệu quả kinh tế cao nhất.
Nhận xét:
- Phương pháp này cho cách tính toán cường độ bê tông dễ dàng;
- Trong công thức (1.1) cần qui đổi cường độ thiết kế 28 ngày tuổi về cường độ
thiết kế ở 90 ngày tuổi;
- Rckd là cường độ chất kết dính được xác định theo TCVN 6016:2011.
Thiết kế thành phần hỗn hợp BTĐL theo quan điểm cơ học đất
- Phương pháp được thiết lập dựa trên mối quan hệ giữa tỷ trọng ướt và tỷ trọng
khô với độ ẩm của hỗn hợp bằng việc đầm chặt mẫu với những độ ẩm khác nhau. Nó
cũng khá giống phương pháp dùng để xác định mối quan hệ giữa độ ẩm và tỷ trọng của
đất.
- Nguyên lý lèn được phát triển bởi Proctor rất sớm từ năm 1930 – 1940, Proctor
đã chỉ ra rằng với một năng lượng lèn xác định, tồn tại một giá trị độ ẩm tối ưu để cho
hỗn hợp được lèn chặt tối đa (KLTT lớn nhất). Khi tăng năng lượng lèn, hệ số lèn chặt
tăng lên trong khi độ ẩm tối ưu tương ứng giảm đi.
- Xem thêm -