Tài liệu Nghiên cứu sử dụng cốt liệu đá quartzite ở thanh sơn, phú thọ để chế tạo bê tông xi măng mặt đường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGÔ HOÀI THANH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE Ở THANH SƠN - PHÚ THỌ ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƢỜNG Chuyên ngành: Xây dựng đƣờng ô tô và đƣờng thành phố Mã ngành: 9.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGÔ HOÀI THANH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE Ở THANH SƠN - PHÚ THỌ ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƢỜNG Chuyên ngành: Xây dựng đƣờng ô tô và đƣờng thành phố Mã ngành: 9.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS PHẠM DUY HỮU HÀ NỘI 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Ngô Hoài Thanh ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hƣớng dẫn là GS.TS Phạm Duy Hữu đã tận tình hƣớng dẫn và định hƣớng khoa học, tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các giáo sƣ, phó giáo sƣ, tiến sỹ, các chuyên gia, các nhà khoa học trong nghành GTVT và Xây dựng đã chỉ dẫn và đóng góp ý kiến quý báu để luận án đƣợc hoàn thiện. Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn các quý cơ quan đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Trƣờng Đại học Giao thông vận tải, Trƣờng Đại học Xây dựng, Trƣờng Đại học Công nghệ Giao thông vận tải, Ủy ban nhân dân huyện Thanh Sơn, Ban giám đốc mỏ đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ. Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trƣờng Đại học Giao thông vận tải, tác giả xin đƣợc trân trọng cảm ơn: Ban Giám hiệu nhà trƣờng, phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Đƣờng bộ, Bộ môn Vật liệu Xây dựng. Tác giả xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Công nghệ Giao thông vận tải, lãnh đạo Cơ sở Vĩnh Phúc, lãnh đạo Khoa Công trình, Bộ môn Đo đạc và Khảo sát Công trình, Trung tâm thí nghiệm Đƣờng bộ cao tốc đã quan tâm tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Cuối cùng tác giả xin đƣợc cảm ơn những ngƣời thân trong gia đình, anh em, bạn bè đã động viên, chia sẻ trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả luận án Ngô Hoài Thanh iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu ....................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án. ...................................................................................... 2 3. Phạm vi nghiên cứu. .......................................................................................................... 3 4. Phƣơng pháp nghiên cứu. .................................................................................................. 3 5. Cấu trúc của luận án. ......................................................................................................... 4 6. Những đóng góp mới của luận án...................................................................................... 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG LÀM ĐƢỜNG VÀ SỬ DỤNG ĐÁ QUARTZITE TRONG BÊ TÔNG ................................................................................ 6 1.1. Lịch sử phát triển của kết cấu mặt đƣờng BTXM........................................................... 6 1.2. Khái quát chung về bê tông xi măng .............................................................................. 7 1.3. Cấu trúc của bê tông xi măng ......................................................................................... 8 1.3.1. Sự hình thành cấu trúc của bê tông .............................................................................. 8 1.3.2. Cấu trúc vĩ mô, cấu trúc vi mô và cấu trúc nano. ......................................................... 9 1.4. Quy định về tính năng của bê tông xi măng làm đƣờng. .............................................. 10 1.4.1. Quy định về cốt liệu chế tạo bê tông xi măng. ........................................................... 10 1.4.2. Quy định về tính năng của bê tông xi măng làm đƣờng ............................................ 11 1.5. Khái quát về các phƣơng pháp thiết kế thành phần BTXM. ......................................... 12 1.5.1. Phƣơng pháp thiết ế thành phần BTXM theo ACI 211.1.91. ................................... 12 1.5.2. Thiết ế thành phần BTXM theo phƣơng pháp Bolomey-Skramtaev. ...................... 18 1.5.3. Sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm xác định yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ bê tông xi măng làm đƣờng, tính toán tỷ lệ N/X............................................................. 20 1.6. Nghiên cứu đặc điểm địa lý, địa hình và đặc điểm địa chất mỏ đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ....................................................................................................................... 20 1.7. Các nghiên cứu về đá quartzite và bê tông xi măng mặt đƣờng sử dụng đá quartzite... 25 1.7.1. Các nghiên cứu về đá quartzite và bê tông xi măng mặt đƣờng sử dụng đá quartzite trên thế giới . ....................................................................................................................... 25 1.7.2. Các nghiên cứu về đá quartzite và bê tông xi măng mặt đƣờng sử dụng đá quartzite ở Việt Nam. ............................................................................................................................ 33 1.8. Kết luận chƣơng 1 và định hƣớng nghiên cứu của luận án. .......................................... 34 1.8.1. Kết luận chƣơng 1. .................................................................................................. 34 iv 1.8.2. Định hƣớng nghiên cứu của luận án. ......................................................................... 35 CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE Ở THANH SƠN, PHÚ THỌ VÀ CÁC VẬT LIỆU KHÁC ................................................................. 36 2.1. Khái quát chung về cốt liệu. ......................................................................................... 36 2.2. Hệ thống hai thác đá quartzite. ................................................................................... 38 2.2.1. Cơ sở lựa chọn hệ thống hai thác đá quartzite. ........................................................ 38 2.2.2. Phƣơng án hai thác đá quartzite. .............................................................................. 38 2.3. Công nghệ chế biến đá quartzite. .................................................................................. 39 2.3.1. Cơ sở để lựa chọn công nghệ chế biến đá quartzite: .................................................. 39 2.3.2. Sơ đồ công nghệ lựa chọn và các chỉ tiêu đi èm. ..................................................... 39 2.4. Phân tích thành phần hóa học của đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ. ....................... 40 2.5. Vật liệu chế tạo mặt đƣờng BTXM sử dụng đá quartzite. ............................................ 42 2.5.1. Xi măng . ................................................................................................................... 42 2.5.2. Cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ. ....................................................................................... 44 2.6. Vật liệu chế tạo BTXM sử dụng đá vôi. ....................................................................... 58 2.6.1. Cốt liệu lớn là đá vôi 5x20 mỏ Minh Quang, Vĩnh Phúc (dùng để đối chứng).......... 58 2.6.2. Cốt liệu nhỏ là cát Sông Lô, Việt Trì, Phú Thọ.......................................................... 60 2.7. Kết luận chƣơng 2. ....................................................................................................... 62 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG XI MĂNG LÀM MẶT ĐƢỜNG Ô TÔ SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE THANH SƠN, PHÚ THỌ VÀ XÁC ĐỊNH CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN, CƢỜNG ĐỘ KÉO UỐN, MÔ ĐUN ĐÀN HỒI ..................... 63 3.1. Thiết kế thành phần bê tông xi măng làm mặt đƣờng ô tô sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ. .......................................................................................................... 63 3.1.1. Sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm xác định yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ bê tông xi măng làm đƣờng, tính toán tỷ lệ N/X............................................................. 63 3.1.2. Thí nghiệm xác định cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ kéo uốn, mô đun đàn hồi của bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi mỏ Minh Quang, Vĩnh Phúc. .................................... 79 3.1.3. Thiết ế thành phần bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn-Phú Thọ theo phƣơng pháp ACI 211.1.91 [34]........................................................................... 81 3.1.4. Kết luận chƣơng 3. .................................................................................................... 89 v CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU HỆ SỐ GIÃN NỞ NHIỆT CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG, NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE THANH SƠN, PHÚ THỌ .................................... 91 4.1. Tính ứng xử nhiệt của tấm bê tông xi măng mặt đƣờng . ............................................. 91 4.1.1. Tổng quan về hiệu ứng nhiệt (tác động của nhiệt độ). ............................................... 91 4.1.2. Cơ sở mô tả nhiệt độ.................................................................................................. 91 4.1.3. Điều kiện biên. .......................................................................................................... 92 4.1.4. Mô hình trao đổi nhiệt và các số liệu đầu vào. ........................................................... 95 4.2. Tính toán hệ số giãn nở nhiệt........................................................................................ 96 4.2.1. Hệ số giãn nở nhiệt của hồ xi măng. .......................................................................... 96 4.2.2. Hệ số giãn nở nhiệt của cốt liệu. ................................................................................ 97 4.2.3. Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông. ................................................................................ 98 4.2.4. Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng theo tài liệu [58]. ....................................... 99 4.3. Ứng suất mặt đƣờng bê tông xi măng......................................................................... 102 4.3.1. Ứng suất trong mặt đƣờng bê tông xi măng ở giai đoạn tuổi sớm. .......................... 102 4.3.2. Ứng suất trong tấm bê tông theo tiêu chuẩn hiện hành. ........................................... 105 4.4. Công thức tính hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng theo AASHTO TP 60 (2006) [32].................................................................................................................................... 105 4.5. Thí nghiệm xác định biến dạng và hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng theo AASHTO TP 60 ( 2006 ). ................................................................................................. 107 4.5.1. Thiết bị thí nghiệm. ................................................................................................. 107 4.5.2. Giới thiệu về máy đo biến dạng. .............................................................................. 107 4.5.3. Chuẩn bị mẫu thử. ................................................................................................... 109 4.5.4. Trình tự thí nghiệm. ................................................................................................. 110 4.6. Kết quả thí nghiệm: .................................................................................................... 116 4.7. Phân tích kết quả thí nghiệm...................................................................................... 116 4.8. Phân tích ảnh hƣởng của ích thƣớc tấm BTXM, của cốt liệu đá quartzite đến cƣờng độ và ứng suất nhiệt trong mặt đƣờng bê tông xi măng. ......................................................... 118 4.8.1. Tính toán thiết kế tấm BTXM mặt đƣờng. ............................................................. 118 4.8.2. Tính toán với tấm BTXM có ích thƣớc 4,5m x 3,5m x 0,25m sử dụng cốt liệu đá vôi. .................................................................................................................................... 120 vi 4.8.3. Tính toán với tấm BTXM có ích thƣớc 4,5m x 3,5m x 0,25m sử dụng cốt liệu đá quartzite............................................................................................................................. 122 4.9. Phân tích kết quả. ....................................................................................................... 125 4.9.1. Phân tích ảnh hƣởng của cốt liệu đến sự phát triển cƣờng độ của bê tông. .............. 125 4.9.2. Phân tích ảnh hƣởng của cốt liệu đến sự phát triển ứng suất nhiệt........................... 126 4.9.3. Phân tích ảnh hƣởng của ích thƣớc tấm đến khả năng háng nứt của mặt đƣờng bê tông xi măng ..................................................................................................................... 126 4.9.4. Kết luận. .................................................................................................................. 129 4.10. Phân tích hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của mặt đƣờng BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ. .......................................................................................... 130 4.10.1. Khả năng đáp ứng về cƣờng độ. ............................................................................ 130 4.10.2. Phân tích hiệu quả kinh tế...................................................................................... 130 4.11. Kết luận chƣơng 4. ................................................................................................... 132 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP ...................................... 135 1. Kết luận. ........................................................................................................................ 135 2. Kiến nghị và hƣớng nghiên cứu tiếp.............................................................................. 136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ............. I TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................II vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các chỉ tiêu cơ lý của bê tông và độ sụt của hỗn hợp BTXM làm đƣờng ............ 11 Bảng 1.2. Độ sụt đề suất cho các loại công trình xây dựng ................................................. 13 Bảng 1.3. Lƣợng nƣớc nhào trộn sơ bộ và hàm lƣợng bọt khí yêu cầu cho độ sụt và Dmax cốt liệu khác nhau................................................................................................................ 14 Bảng 1.4. Quan hệ giữa tỷ lệ nƣớc-xi măng và cƣờng độ chịu nén của bê tông .................. 15 Bảng 1.5. Thể tích của cốt liệu lớn trong một đơn vị thể tích bê tông ................................. 16 Bảng 1.6. Khối lƣợng thể tích sơ bộ của hỗn hợp bê tông ban đầu...................................... 17 Bảng 1.7. Hƣớng dẫn chọn độ sụt đề xuất cho bê tông ....................................................... 18 Bảng 1.8. Hệ số tra A và A' theo TCVN9382:2012 [15] ..................................................... 19 Bảng 1.9. Tọa độ hu thăm dò diện tích.............................................................................. 22 Bảng 1.10. Thành phần hóa học của đá quartzite phong hóa. .............................................. 24 Bảng 1.11. Thành phần hoá học và đặc tính cơ lý của đá quartzite ở các vỉa ...................... 25 Bảng 1.12. Tính chất khối lƣợng của cốt liệu ...................................................................... 30 Bảng 1.13. Đặc điểm AIMS của cốt liệu ............................................................................. 30 Bảng 1.14. Năng lƣợng bề mặt, mô đun và CTE của cốt liệu.............................................. 31 Bảng 1.15. Hệ số giãn nở nhiệt của các loại đá hác nhau .................................................. 32 Bảng 1.16. Các loại đá trong xây dựng ............................................................................... 33 Bảng 1.17. Bảng kết quả các chỉ tiêu khoáng hóa ............................................................... 34 Bảng 2.1. Bảng kết quả phân tích toàn phần thành phần hóa học của đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ....................................................................................................................... 41 Bảng 2.2. Cƣờng độ nén và cƣờng độ kéo uốn của xi măng dùng làm mặt đƣờng bê tông xi măng ................................................................................................................................... 42 Bảng 2.3. Các chỉ tiêu hóa, lý của xi măng dùng làm mặt đƣờng BTXM ........................... 42 Bảng 2.4. Kết quả phân tích thành phần hạt đá quartzite 5x20 ............................................ 46 Bảng 2.5. Khối lƣợng riêng, độ hút nƣớc của cốt liệu lớn đá quartzite............................... 47 Bảng 2.6. Khối lƣợng thể tích xốp của cốt liệu lớn đá quartzite .......................................... 47 Bảng 2.7. Hàm lƣợng thoi dẹt của cốt liệu lớn đá quartzite ................................................. 48 Bảng 2.8. Độ hao mòn LosAngeles..................................................................................... 49 Bảng 2.9. Độ nén dập và hệ số hóa mềm ............................................................................ 50 Bảng 2.10. Bảng xác định cƣờng độ chịu nén của đá gốc .................................................. 50 viii Bảng 2.11. Hàm lƣợng hạt mềm yếu, phong hóa ................................................................ 51 Bảng 2.12. Hàm lƣợng bụi, bùn, sét .................................................................................... 52 Bảng 2.13. Bảng tổng hợp ết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của đá quartzite. ......... 52 Bảng 2.14. Kết quả phân tích thành phần hạt cát quartzite .................................................. 53 Bảng 2.15. Khối lƣợng riêng, độ hút nƣớc của cát quartzite............................................... 55 Bảng 2.16. Khối lƣợng thể tích xốp của cát quartzite .......................................................... 56 Bảng 2.17. Hàm lƣợng bụi, bùn, sét .................................................................................... 56 Bảng 2.18. Bảng tổng hợp ết quả thí nghiệm cát quartzite. ............................................... 57 Bảng 2.19. Kết quả phân tích thành phần hạt đá vôi 5x20................................................... 59 Bảng 2.20. Bảng tổng hợp ết quả các chỉ tiêu kỹ thuật đá vôi. .......................................... 60 Bảng 2.21. Kết quả phân tích thành phần hạt cát Sông Lô .................................................. 61 Bảng 2.22. Bảng tổng hợp ết quả thí nghiệm cát Sông Lô ................................................ 62 Bảng 3.1. Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hƣởng ....................................... 64 Bảng 3.2. Bảng kế hoạch thực nghiệm tƣơng quan giữa mã thực và biến mã hóa .............. 65 Bảng 3.3. Kế hoạch thực nghiệm tại tâm............................................................................. 65 Bảng 3.4. Thành phần vật liệu hỗn hợp 1 ............................................................................ 66 Bảng 3.5. Thành phần vật liệu hỗn hợp 2 ............................................................................ 66 Bảng 3.6. Thành phần vật liệu hỗn hợp 3 ............................................................................ 67 Bảng 3.7. Thành phần vật liệu hỗn hợp 4 ............................................................................ 67 Bảng 3.8. Thành phần vật liệu hỗn hợp 5 ............................................................................ 68 Bảng 3.9. Kết quả độ sụt theo quy hoạch thực nghiệm........................................................ 69 Bảng 3.10. Kết quả cƣờng độ chịu nén của bê tông ............................................................ 72 Bảng 3.11. Kết quả cƣờng độ kéo uốn của bê tông ............................................................. 73 Bảng 3.12. Mô đun đàn hồi bê tông đá quartzite ................................................................. 75 Bảng 3.13. Bảng kế hoạch thực nghiệm tƣơng quan giữa mã thực và biến mã hóa ............ 75 Bảng 3.14. Kế hoạch thực nghiệm tại tâm........................................................................... 76 Bảng 3.15. Cƣờng độ chịu nén của bê tông đá vôi .............................................................. 80 Bảng 3.16. Cƣờng độ éo uốn của bê tông đá vôi ............................................................... 80 Bảng 3.17. Mô đun đàn hồi bê tông đá vôi.......................................................................... 80 Bảng 3.18. Thành phần vật liệu hỗn hợp bê tông cấp 40 ..................................................... 83 Bảng 3.19. Kết quả độ sụt ................................................................................................... 84 Bảng 3.20. Kết quả cƣờng độ chịu nén của bê tông cấp 40 ................................................. 85 ix Bảng 3.21. Đánh giá cƣờng độ chịu nén của bê tông .......................................................... 87 Bảng 3.22. Cƣờng độ éo uốn của bê tông.......................................................................... 88 Bảng 4.1. Hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào phƣơng pháp bảo dƣỡng bê tông.................... 93 Bảng 4.2. Các giá trị bức xạ mặt trời ................................................................................... 94 Bảng 4.3. Nhiệt dung riêng cho các cốt liệu khác nhau ....................................................... 96 Bảng 4.4. Hệ số giãn nở nhiệt của việc mở rộng các cốt liệu chọn lọc ............................... 98 Bảng 4.5. Hệ số giãn nở nhiệt theo Hak Chul Shin [49]...................................................... 99 Bảng 4.6. Hệ số giãn nở nhiệt theo QĐ3230 [5] ................................................................. 99 Bảng 4.7. Ảnh hƣởng của tỷ lệ X/C đến hệ số giãn nở nhiệt [58] ....................................... 99 Bảng 4.8. Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông với các loại cốt liệu khác nhau........................ 101 Bảng 4.9. Bảng tổng hợp kết quả tính kết cấu mặt đƣờng BTXM .................................... 124 Bảng 4.10. Cƣờng độ chịu kéo của bê tông....................................................................... 125 Bảng 4.11. Bảng ứng suất nhiệt lớn nhất trong bê tông ..................................................... 126 Bảng 4.12. Kiểm toán ứng suất nhiệt tại tấm có ích thƣớc tấm 4m x 3,5m x 0,25m ....... 126 Bảng 4.13. Bảng tổng hợp kết quả tính ứng suất nhiệt và chiều dài tấm BTXM............... 128 Bảng 4.14. Bảng tổng hợp về cƣờng độ của bê tông ......................................................... 130 Bảng 4.15. Bảng khối lƣợng vật liệu cho 1 m đƣờng ....................................................... 131 Bảng 4.16. Bảng giá thành vật liệu BTXM ....................................................................... 131 x DANH MỤC HÌNH VẼ Hình1.1. Hình ảnh về mỏ đá ............................................................................................... 21 Hình 1.2. Bản đồ phân bố các mỏ đá ở Mỹ ......................................................................... 29 Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ hai thác đá quartzite nguyên liệu ............................................ 38 Hình 2.2. Sơ đồ công nghệ khai thác bốc đất đá vây quanh ................................................ 39 Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ chế biến đá quartzite................................................................. 40 Hình 2.4. Sản phẩm đá quartzite và cát quartzite................................................................. 40 Hình 2.5. Hình ảnh đá quartzite đƣợc khai thác tại mỏ........................................................ 41 Hình 2.6. Thí nghiệm xác định thành phần hạt của cốt liệu................................................. 45 Hình 2.7. Thành phần hạt của đá quartzite 5x20 ................................................................. 46 Hình 2.8. Máy LosAngeles ................................................................................................. 48 Hình 2.9. Xác định độ nén dập và hệ số mềm của đá .......................................................... 49 Hình 2.10. Thành phần hạt của cát quartzite ....................................................................... 54 Hình 2.11. Thành phần hạt của đá vôi 5x20 ........................................................................ 59 Hình 2.12. Thành phần hạt của cát Sông Lô........................................................................ 61 Hình 3.1. Mô tả độ sụt bê tông tƣơi bằng côn Abrams ........................................................ 69 Hình 3.2. Công tác đúc mẫu. ............................................................................................... 70 Hình 3.3. Công tác bảo dƣỡng và vớt mẫu. ......................................................................... 71 Hình 3.4. Thí nghiệm nén mẫu bê tông ............................................................................... 72 Hình 3.5. Thí nghiệm éo uốn mẫu. .................................................................................... 73 Hình 3.6. Biểu đồ cƣờng độ chịu nén của bê tông xi măng cấp 40...................................... 88 Hình 4.1. Quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt của bê tông và môi trƣờng xung quanh ................ 95 Hình 4.2. Mối quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và ngày tuổi của bê tông xi măng............. 97 Hình 4.3. Mối quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và độ ẩm của bê tông xi măng [57] .......... 97 Hình 4.4. Quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt của cốt liệu và hệ số giãn nở nhiệt của bê tông [58].................................................................................................................................... 100 Hình 4.5. Mối quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và độ ẩm của bê tông xi măng [58]...... 102 Hình 4.6. Mối quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt với độ ẩm và thời gian [58] .................... 102 Hình 4.7. Máy đo biến dạng Model P3 ............................................................................. 108 Hình 4.8. Máy đo biến dạng SDA – 830B ........................................................................ 109 Hình 4.9. Cân vật liệu theo thiết kế thành phần bê tông .................................................... 111 Hình 4.10. Trộn vật liệu .................................................................................................... 112 xi Hình 4.11. Khuôn tạo mẫu ................................................................................................ 112 Hình 4.12. Mẫu thí nghiệm ............................................................................................... 112 Hình 4.13. Đo chiều dài mẫu............................................................................................. 113 Hình 4.14. Mẫu đƣợc ủ lạnh trong bể đá ........................................................................... 113 Hình 4.15. Chạy thử máy .................................................................................................. 114 Hình 4.16. Đo nhiệt độ ở thời điểm bất kỳ ........................................................................ 114 Hình 4.17. Hình ảnh mẫu trong bể .................................................................................... 115 Hình 4.18. Vận hành thiết bị đo......................................................................................... 115 Hình 4.19. Máy tính hiển thị số liệu .................................................................................. 116 Hình 4.20. Biểu đồ quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và độ tuổi của bê tông..................... 117 Hình 4.21. Biểu đồ quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và loại cốt liệu của bê tông ............. 117 Hình 4.22. Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất nhiệt và chiều dài tấm BTXM ........................ 128 xii CÁC TỪ VIẾT TẮT CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu AASHTO : Hiệp hội những ngƣời làm đƣờng bộ và vận tải Mỹ ACI : Viện bê tông Mỹ ASTM : Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu Mỹ BTXM : Bê tông xi măng CTE : Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng C : Cát D : Đá D/C : Đá/Cát GTVT : Giao thông vận tải L.A : LosAngeles N/X : Nƣớc/Xi măng N/CKD : Tỷ lệ nƣớc/chất kết dính N : Nƣớc NCS : Nghiên cứu sinh PGSD : Phụ gia siêu dẻo QĐ3230 : Quy định tạm thời về thiết kế mặt đƣờng bê tông xi măng thông thƣờng có khe nối trong xây dựng công trình giao thông QĐ1951 : Quy định tạm thời về kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đƣờng bê tông xi măng trong xây dựng công trình giao thông Rn : Cƣờng độ chịu nén của bê tông Rku : Cƣờng độ kéo uốn của bê tông Ryc : Cƣờng độ yêu cầu của bê tông TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TCN : Tiêu chuẩn ngành X : Xi măng X/N : Xi măng/Nƣớc 1 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu Bê tông là một loại vật liệu chiếm tỷ trọng lớn trong hầu hết các công trình xây dựng. Với ƣu điểm dễ tạo hình, khả năng chịu lực tốt, tuổi thọ cao, lại tận dụng đƣợc nguồn vật liệu địa phƣơng nên cho tới nay trong lĩnh vực xây dựng công trình, chƣa có loại vật liệu nào có ƣu thế bằng bê tông. Nhu cầu xây dựng công trình giao thông là rất lớn (hàng trăm nghìn m quốc lộ), nhƣng thực tế sử dụng mặt đƣờng bê tông xi măng tại Việt Nam còn thiếu về số lƣợng (khoảng 700 km quốc lộ) và chƣa đạt yêu cầu về chất lƣợng (rất nhiều hƣ hỏng). Trong hi đó, rất nhiều nƣớc trên thế giới (nhƣ Mỹ, Đức, Trung Quốc…) đã đẩy mạnh và áp dụng rất thành công mặt đƣờng bê tông xi măng này trong xây dựng mặt đƣờng ôtô và sân bay [28]. Bê tông xi măng mặt đƣờng cần có cốt liệu và xi măng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của bê tông, cốt liệu chất lƣợng cao để chế tạo bê tông xi măng mặt đƣờng là cần thiết, đƣợc quan tâm. Theo quy định kỹ thuật của mặt đƣờng bê tông xi măng thì bê tông mặt đƣờng có cƣờng độ kéo uốn cho đƣờng cao hơn 5MPa, thông thƣờng bê tông để đạt cƣờng độ kéo uốn nhƣ trên có cƣờng độ chịu nén há cao thƣờng là lớn hơn 50MPa đo trên mẫu hình trụ, nhƣ vậy cƣờng độ của bê tông làm đƣờng phải là bê tông có cƣờng độ cao. Chất lƣợng cốt liệu tốt cho phép cải thiện cƣờng độ chịu nén và kéo uốn và hơn nữa tăng cƣờng đƣợc độ bền chống hao mòn của mặt đƣờng bê tông xi măng, đây là một trong các yếu tố cơ bản của bê tông xi măng làm mặt đƣờng ôtô. Đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ là một loại cốt liệu chất lƣợng cao, trữ lƣợng khá lớn, khoảng trên 10 triệu tấn [2]. Việc khai thác tận dụng đƣợc vật liệu địa phƣơng để chế tạo bê tông trong xây dựng đƣờng là cấp thiết để hạn chế sự vận chuyển của các loại cốt liệu làm tăng giá thành xây dựng. Theo [29] quy hoạch công nghiệp xi măng giai đoạn 2011-2020 thì nhu cầu sử dụng xi măng năm 2011 là 50 triệu tấn, trong lúc đó tổng công suất của các nhà máy năm 2011 đã sản suất là hơn 60 triệu tấn tạo ra hủng hoảng thừa về xi măng trong nƣớc, hơn nữa nguồn tro bay từ các nhà máy nhiệt điện thải ra với 2 một lƣợng tƣơng đối lớn. Vì vậy về cơ bản các nguồn cốt liệu và chất ết dính để chế tạo bê tông xi măng mặt đƣờng là sẵn có và có thể hai thác đƣợc ở địa phƣơng, nên hạn chế đƣợc vận chuyển từ các địa phƣơng hác sang, làm tăng giá thành của bê tông xi măng mặt đƣờng. Vì vậy, có thể nói rằng xét về phƣơng diện vật liệu hay công nghệ chế tạo và thi công thì bê tông xi măng mặt đƣờng dùng cốt liệu từ đá quartzite ở mỏ Thanh Sơn, Phú Thọ trong xây dựng là một giải pháp nâng cao chất lƣợng của mặt đƣờng bê tông xi măng hiện nay. Mặt hác, các công trình nghiên cứu về bê tông xi măng ở Việt Nam tới nay cũng chƣa có công trình nghiên cứu và thực nghiệm có hệ thống và đầy đủ về đặc tính nhiệt của bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite, cụ thể là tính toán và đo thực nghiệm hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng, tìm hiểu mối quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt với ngày tuổi, với các loại cốt liệu hác nhau, với cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ éo uốn của bê tông xi măng. Các công trình nghiên cứu cũng ít đề cập tới ảnh hƣởng của cốt liệu đến cƣờng độ, ứng suất nhiệt của bê tông mặt đƣờng. Vì các lý do trên việc nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý của đá quartzite, thiết kế thành phần bê tông, nghiên cứu đặc tính nhiệt của bê tông thông qua xác định hệ số giãn nở nhiệt, cƣờng độ và ứng suất nhiệt của bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ đáp ứng đƣợc nhu cầu của ngành xây dựng công trình giao thông đang đòi hỏi và cần loại bê tông xi măng làm đƣờng chất lƣợng, hiệu quả khai thác sử dụng cao mà tận dụng đƣợc vật liệu địa phƣơng. Chính vì vậy “Nghiên cứu sử dụng cốt liệu đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ để chế tạo bê tông xi măng mặt đƣờng” là vấn đề cấp thiết hiện nay, có ý nghĩa hoa học và thực tiễn rõ rệt. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án. Mục tiêu nghiên cứu là để hoàn thiện cơ sở hoa học cũng nhƣ thực tiễn sử dụng cốt liệu từ đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ để chế tạo bê tông xi măng mặt đƣờng đạt các yêu cầu ỹ thuật trong xây dựng đƣờng ở hu vực Tây Bắc. Nghiên cứu góp phần vào việc hai thác hợp lý nguồn vật liệu địa phƣơng trong 3 xây dựng giao thông vận tải đặc biệt là mặt đƣờng bê tông xi măng với các yêu cầu cao nhƣ hiện nay. 3. Phạm vi nghiên cứu. - Sử dụng cốt liệu chế tạo từ đá quartzite rắn chắc ở Thanh Sơn, Phú Thọ để làm cốt liệu cho bê tông xi măng mặt đƣờng. Định hƣớng của luận án là nghiên cứu sử dụng quartzite rắn chắc thay thế hoàn toàn cốt liệu lớn trong bê tông, cốt liệu nhỏ là cát quartzite rắn chắc, lý do là tận dụng vật liệu địa phƣơng và mong muốn nghiên cứu bê tông xi măng sử dụng cốt liệu quartzite rắn chắc. - Bê tông đá quartzite rắn chắc sẽ đƣợc áp dụng ở đƣờng cấp III, đƣờng có quy mô giao thông cấp nặng. NCS đã giả định tuyến đƣờng thiết ế làm mới thuộc hu vực Thanh Sơn, Phú Thọ là nơi gần với nguồn vật liệu đƣợc sử dụng để nghiên cứu và thí nghiệm. Do đá quartzite rắn chắc chƣa đƣợc dùng trong xây dựng đƣờng ô tô, luận án nghiên cứu sử dụng cốt liệu quartzite rắn chắc trong bê tông xi măng xây dựng đƣờng nhằm đóng góp hả năng sử dụng vật liệu này. Có nhiều phƣơng án sử dụng cốt liệu quartzite rắn chắc đó là sử dụng làm cốt liệu thô, mịn hoặc là cả thô và mịn. Tuy nhiên trong luận án để nghiên cứu ảnh hƣởng bất lợi về nhiệt cho nên đã sử dụng hoàn toàn cốt liệu quartzite rắn chắc. Còn phƣơng án khác cần đƣợc nghiên cứu thêm. Vì vậy NCS xin phép đƣợc nêu phƣơng án chỉ thay một phần cốt liệu trong hỗn hợp bê tông bằng quartzite rắn chắc vào phần hƣớng nghiên cứu tiếp của luận án. - Thí nghiệm các tính năng cơ học chính của bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite rắn chắc ở Thanh Sơn, Phú Thọ theo yêu cầu về thiết ế và thi công mặt đƣờng. - Trong thiết ế ết cấu mặt đƣờng bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite rắn chắc Thanh Sơn, Phú Thọ có sử dụng các số liệu về tải trọng, hí hậu, lớp móng và đất nền đƣờng theo quyết định QĐ3230[5]. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu. - Kết hợp nghiên cứu lí thuyết với thực nghiệm trong phòng để xác định các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu đá, các đặc tính của bê tông xi măng. - Phƣơng pháp phân tích tổng hợp để làm rõ mục tiêu nghiên cứu của luận án. 4 5. Cấu trúc của luận án. Luận án gồm Mở đầu, 4 chƣơng, Kết luận, Kiến nghị nhƣ sau: Mở đầu. Chƣơng 1: Tổng quan về bê tông xi măng làm đƣờng và sử dụng đá quartzite trong bê tông. Chƣơng 2: Nghiên cứu đặc tính cốt liệu đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ và các vật liệu khác. Chƣơng 3: Thiết kế thành phần BTXM làm mặt đƣờng ô tô sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ và xác định cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ kéo uốn, mô đun đàn hồi. Chƣơng 4: Nghiên cứu hệ số giãn nở nhiệt của BTXM, nghiên cứu hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của mặt đƣờng BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite. Kết luận, Kiến nghị. 6. Những đóng góp mới của luận án. + Nghiên cứu về đặc tính cốt liệu của đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ và khẳng định vật liệu này phù hợp với tiêu chuẩn hiện hành và có thể đƣợc sử dụng để chế tạo BTXM mặt đƣờng. + Bằng quy hoạch thực nghiệm tác giả tìm ra đƣợc phƣơng trình hồi quy mô tả mối quan hệ giữa các hàm mục tiêu: cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ éo uốn với yếu tố ảnh hƣởng là tỷ lệ X/N, hai phƣơng trình hồi quy là: y1  19,19 X 2  5,62 y2  X 2  2,77  2,5  X  2,5  X 2  3,5 2  3,5 + Các kết quả thí nghiệm về cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ sụt của BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite có tác dụng tham khảo tốt trong giảng dạy, trong việc thiết kế, thi công các công trình giao thông cũng nhƣ đƣờng ô tô sau này. + Đã nghiên cứu về hệ số giãn nở nhiệt của BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite. 5 + Thông qua thực nghiệm tác giả xác định đƣợc biến dạng và hệ số giãn nở nhiệt của bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite và bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi theo các ngày tuổi bằng máy đo biến dạng SDA – 830B cụ thể nhƣ sau: - Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite theo 3, 7, 14, 28 ngày tuổi có hệ số giãn nở nhiệt bằng 11,1925; 11,2248; 11,2200; 11,1819 (10-6/0C ). - Bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi theo 3, 7, 14, 28 ngày tuổi có hệ số giãn nở nhiệt bằng 7,4791; 7,3830; 7,3996; 7,4132(10-6/0C ). + Luận án đã tính toán tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite và cốt liệu đá vôi với các ích thƣớc dự kiến là 4m x 3,5m x 0,25m, ích thƣớc 4,5m x 3,5m x 0,25m, theo quyết định QĐ3230[5] của Bộ Giao thông vận tải. - Kết quả tính toán cho thấy các tấm BTXM đều đạt yêu cầu về cƣờng độ, ứng suất nhiệt, ứng suất gây mỏi. - Khi thiết kế cùng thành phần thì bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đã tăng đồng thời cƣờng độ và ứng suất nhiệt so với bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi. Trong đó cƣờng độ chịu éo tăng 1,1% còn ứng suất nhiệt lớn nhất tăng 33,59%. - Do các yếu tố trên nên mặt đƣờng bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite có nguy cơ sảy ra nứt trên mặt tấm cao hơn mặt đƣờng bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi, tỷ lệ chênh lệch gây nứt của bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite cao hơn bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi là 5,41%. - Kích thƣớc chiều dài của tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên chọn nhỏ hơn ích thƣớc chiều dài tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi. Kích thƣớc chiều dài của tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên chọn bằng 3,8m. + Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đáp ứng đƣợc các yêu cầu về cƣờng độ, hiệu quả kinh tế tốt do giá thành vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite rẻ hơn so với giá thành vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi. 6 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG LÀM ĐƢỜNG VÀ SỬ DỤNG ĐÁ QUARTZITE TRONG BÊ TÔNG 1.1. Lịch sử phát triển của kết cấu mặt đƣờng BTXM. Theo các tài liệu [26], [28] bê tông là một trong các loại vật liệu xây dựng đƣợc sử dụng với hối lƣợng lớn và hông thể thiếu trong xây dựng hiện đại. Trong giai đoạn đầu tiên ết cấu bê tông đƣợc chế tạo dƣới dạng bản, dầm, cột đơn giản, giá thành xây dựng vẫn còn cao, từ cuối thế ỷ XIX nhu cầu sử dụng bê tông xi măng càng cao do sự phát triển của công nghiệp. Do yêu cầu cao trong các điều iện hắc nghiệt nên từ lâu mặt đƣờng bằng bê tông xi măng hông cốt thép đã đƣợc sử dụng nhiều ở các nƣớc. Ở Anh từ năm 1872 đã làm mặt đƣờng bê tông xi măng ở 3 phố tại Êđibua. Ở Mỹ đƣợc làm mặt đƣờng BTXM đầu tiên vào năm 1892, nhƣng đến 1925-1930 mới phát triển phổ biến, hiện nay chiếm hoảng 9%. Ở Nga làm mặt đƣờng BTXM vào năm 1913. Ở Đức hàng năm có hoảng 17 triệu m2 đƣờng BTXM đƣợc sử dụng, đa phần là bê tông xi măng chất lƣợng cao, chiếm hoảng 25% đƣờng cao tốc. Ở Trung Quốc mới chỉ từ năm 1950 đƣa vào sử dụng mặt đƣờng BTXM, mà đến những năm 1970 đã sử dụng phổ biến, mặt đƣờng BTXM chiếm 60% đƣờng cao tốc. Ở Việt Nam đầu tiên đƣợc sử dụng là mặt đƣờng Hùng Vƣơng vào năm 1975, sau đó có nhiều dự án Quốc lộ 2, quốc lộ 18, Quốc lội 1A, đƣờng Hồ Chí Minh giai đoạn 1 hoảng 400km. Theo các tài liệu [17], [20], mặt đƣờng BTXM là loại mặt đƣờng cứng, cấp cao thƣờng đƣợc dùng làm mặt đƣờng trong sân bay và trên các trục đƣờng ô tô có nhiều xe tải nặng, áp suất bánh xe lên mặt đƣờng từ 5 đến 7 Pa, mật độ xe lớn và tốc độ xe chạy cao. Theo các tài liệu [16], [18], [27] mặt đƣờng BTXM gồm có mặt đƣờng BTXM thông thƣờng, mặt đƣờng BTXM cốt thép có he nối, mặt đƣờng BTXM lƣới thép, mặt đƣờng BTXM lƣới thép liên tục. Mặt đƣờng bê tông xi măng ở Việt Nam hiện nay cũng đã có nhiều hƣ hỏng nhƣ nứt vỡ tấm, vỡ cả cốt liệu, trong đó có nguyên nhân do sử dụng cốt