Tài liệu Nghiên cứu sử dụng đất đá thải từ các mỏ than khu vực cẩm phả, quảng ninh làm đường ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐỖ VĂN THÁI NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT ĐÁ THẢI TỪ CÁC MỎ THAN KHU VỰC CẨM PHẢ, QUẢNG NINH LÀM ĐƯỜNG Ô TÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐỖ VĂN THÁI NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT ĐÁ THẢI TỪ CÁC MỎ THAN KHU VỰC CẨM PHẢ, QUẢNG NINH LÀM ĐƯỜNG Ô TÔ Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 9.58.02.05 Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1.GS.TS. PHẠM HUY KHANG 2.PGS.TS. NGUYỄN HỮU TRÍ HÀ NỘI - 2019 i CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Hà Nội, tháng 03 năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Luận án Đỗ Văn Thái ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan đã tạo điều kiện giúp đỡ: Trường Đại học Giao thông vận tải; Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải; Viện Khoa học và Công nghệ giao thông vận tải; Tập đoàn than khoáng sản Việt Nam; Ban quản lý bãi đổ thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh; Phòng VI - LAS 72-Trường Đại học Công nghệ GTVT; Công ty thí nghiệm TECO2. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất đến hai giáo viên hướng dẫn là GS.TS Phạm Huy Khang (Trường ĐH GTVT) và PGS.TS Nguyễn Hữu Trí (Viện KH & CN GTVT) đã tận tình hết lòng giúp đỡ. Cám ơn GS.TS Bùi Xuân Cậy; PGS.TS Lã Văn Chăm; PGS.TS Nguyễn Quang Phúc; TS. Nguyễn Đình Thạo cùng các Thầy Cô giáo trong Bộ môn Đường bộ, Bộ môn đường Ô tô và Sân bay, Bộ môn đường Giao thông Công chính, Bộ môn Vật liệu xây dựng – Trường Đại học GTVT đã đóng góp ý kiến và định hướng khoa học có giá trị cho nội dung nghiên cứu luận án. Xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghệ GTVT và các đơn vị trực thuộc: Khoa Công trình; Xưởng Công trình và Trung tâm Thí nghiệm vật liệu công trình đã xếp sắp thời gian và tạo mọi điều kiện giúp đỡ về cơ sở vật chất, về thiết bị thí nghiệm và mặt bằng thử nghiệm để tác giả hoàn thành luận án này. Cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đồng nghiệp đã cộng tác giúp đỡ tôi. Hà Nội - 03 /2019 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ ii MỤC LỤC............................................................................................................. iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ xi MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ ............................ 4 1.1 Tổng quan về đất, đá thải từ các mỏ khai thác than ...................................... 4 1.1.1 Khai thác than và đất đá thải từ các mỏ than - trên thế giới ............................. 4 1.1.2 Khai thác than và thực trạng đất, đá thải từ các mỏ than ở Quảng Ninh, Việt Nam ........................................................................................................................ 6 1.1.3 Quy mô và thực trạng bãi đổ thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh ....... 8 1.2 Tổng quan về sử dụng đất, đá thải trong xây dựng đường ô tô................... 11 1.2.1 Những kết quả nghiên cứu và chỉ dẫn kỹ thuật ở nước ngoài ........................ 11 1.2.2 Những kết quả nghiên cứu bước đầu và chỉ dẫn kỹ thuật ở Việt Nam ........... 14 1.3 Tổng hợp, phân tích và đề xuất nội dung nghiên cứu .................................. 26 1.3.1 Thực trạng đất, đá thải do khai thác than trên thế giới và ở nước ta ............... 26 1.3.2 Những kết quả nghiên cứu về sử dụng đất, đá thải từ khai thác than ở trong và ngoài nước ............................................................................................................. 26 1.3.3 Phân tích và đề xuất nội dung nghiên cứu ..................................................... 27 1.3.4 Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 29 1.3.5 Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 29 1.3.6 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 30 Chương 2: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VÀ ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN QUẢNG NINH LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ ............................................................ 31 2.1 Nghiên cứu cơ sở khoa học sử dụng vật liệu đất, đá gia cố chất kết dính vô cơ trong xây dựng mặt đường ô tô ...................................................................... 33 iv 2.1.1 Khái niệm chung về gia cố vật liệu ............................................................... 33 2.1.2. Sự hình thành cường độ của đất gia cố chất kết dính vô cơ .......................... 34 2.1.3 Sự hình thành cường độ của các lớp vật liệu gia cố xi măng ......................... 37 2.2 Thiết kế thí nghiệm và trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu ................. 38 2.2.1 Thiết kế thí nghiệm ....................................................................................... 38 2.2.2 Các công thức tính toán ................................................................................ 38 2.2.3 Đánh giá số mẫu trong tổ mẫu ...................................................................... 40 2.2.4 Loại bỏ số liệu ngoại lai và đánh giá độ chụm............................................... 40 2.2.5 Trình tự thiết kế thí nghiệm và xử lý kết quả thí nghiệm ............................... 41 2.3 Khảo sát, lấy mẫu đại diện và thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ, lý, hóa của đất, đá thải mỏ than Quảng Ninh ................................................................ 41 2.3.1 Lựa chọn bãi thải đại diện ............................................................................. 41 2.3.2 Đặc điểm chung của bãi thải Đông Cao Sơn ................................................. 42 2.3.3 Lấy mẫu đất, đá thải đại diện ........................................................................ 42 2.3.4 Thành phần khoáng hóa của đất, đá bãi thải .................................................. 43 2.3.5 Xác định thành phần hạt ............................................................................... 44 2.3.6 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ bản của đất, đá thải ............................... 45 2.3.7 Nhận xét, đánh giá kết quả thí nghiệm đất, đá thải để sử dụng làm vật liệu xây dựng nền đường và kết cấu mặt đường .................................................................. 50 2.4 Nghiên cứu đề xuất lựa chọn cấp phối đất, đá thải mỏ than Quảng Ninh làm vật liệu kết cấu mặt đường ô tô.................................................................... 52 2.4.1 Thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lý cấp phối đá nhóm A-ĐCS .................... 52 2.4.2 Thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lý cấp phối đá nhóm AB-ĐCS.................. 55 2.5 Nghiên cứu cấp phối đá dăm nhóm A-ĐCS và nhóm AB-ĐCS gia cố xi măng làm vật liệu trong kết cấu mặt đường ô tô ............................................... 56 2.5.1 Tóm tắt yêu cầu và nội dung nghiên cứu ....................................................... 56 2.5.2 Kế hoạch thí nghiệm ..................................................................................... 57 2.5.3 Chế bị mẫu và thí nghiệm ............................................................................. 59 2.5.4 Kết quả thí nghiệm đối với nhóm A-ĐCS gia cố xi măng ............................. 61 2.5.5 Kết quả thí nghiệm đối với nhóm AB-ĐCS gia cố xi măng ........................... 63 2.5.6 So sánh kết quả thí nghiệm A-ĐCS và AB-ĐCS với tỷ lệ xi măng 4%, 6% .. 67 v 2.5.7 So sánh kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi A-ĐCS và AB-ĐCS .................. 71 2.6 Nhận xét, kết luận chương 2.......................................................................... 72 Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG VỚI KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN QUẢNG NINH GIA CỐ XI MĂNG ...................................................................................................... 73 3.1 Thiết kế đoạn đường thử nghiệm hiện trường ............................................. 74 3.1.1 Tóm tắt nội dung và những yêu cần đoạn thử nghiệm hiện trường ................ 74 3.1.2 Lựa chọn vị trí, mặt bằng và các thông sô hình học đoạn đường thử nghiệm . 74 3.1.3 Kết cấu mặt đường thử nghiệm ..................................................................... 75 3.2 Nghiên cứu sản xuất vật liệu cấp phối đất, đá thải ...................................... 76 3.2.1 Khai thác, vận chuyển và tập kết vật liệu ...................................................... 76 3.2.2 Công tác sản xuất vật liệu thử nghiệm........................................................... 77 3.3 Thi công nền đường đoạn thử nghiệm .......................................................... 78 3.3.1 Vật liệu đắp nền đường ................................................................................. 78 3.3.2 Xử lý nền đường trước khi đắp ..................................................................... 79 3.3.3 Thi công đắp đất nền đường.......................................................................... 79 3.3.4 Kết quả kiểm tra nghiệm thu nền đường ....................................................... 80 3.4 Thi công các lớp kết cấu áo đường đoạn thử nghiệm .................................. 81 3.4.1 Thi công lớp móng AB-ĐCS dày 18cm ........................................................ 81 3.4.2 Thi công lớp móng AB-ĐCS gia cố xi măng dày 16cm ................................ 86 3.5 Thi công lớp đá dăm láng nhựa dày 3.5 cm tiêu chuẩn 4.5 kg/m2 ............... 89 3.5.1 Vật liệu ......................................................................................................... 89 3.5.2 Thi công các lớp láng nhựa ........................................................................... 89 3.6 Nghiên cứu thử nghiệm giải pháp hạn chế vết nứt trong lớp cấp phối đất, đá gia cố xi măng ................................................................................................. 90 3.6.1. Giải pháp tạo đường nứt trước (cắt khe giả) ................................................. 92 3.6.2.Điều chỉnh quy cách bảo dưỡng .................................................................... 93 3.6.3.Đo đạc theo dõi dõi diễn biến vết nứt ............................................................ 94 3.6.4 Những lưu ý trong thiết kế, thi công và bảo dưỡng lớp đá thải gia cố xi măng96 3.7 Theo dõi đánh giá kết cấu mặt đường .......................................................... 96 3.7.1 Công tác kiểm tra nghiệm thu mặt đường ..................................................... 96 vi 3.7.2 Khoan mẫu đánh giá cường độ chịu nén và ép chẻ ........................................ 97 3.7.3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén và cường độ ép chẻ ........................ 98 3.7.4 Đánh giá chung về đoạn đường thử nghiệm ................................................ 102 3.8 Nhận xét, kết luận chương 3........................................................................ 104 Chương 4: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MỘT SỐ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG LỚP ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN QUẢNG NINH ...... 106 4.1 Nguyên tắc đề xuất và phạm vi áp dụng kết cấu mặt đường ..................... 107 4.1.1 Nguyên tắc đề xuất kết cấu mặt đường........................................................ 107 4.1.2 Phạm vi áp dụng kết cấu mặt đường ........................................................... 108 4.2 Lựa chọn phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường .................................. 109 4.3 Đề xuất các kết cấu mặt đường ................................................................... 110 4.3.1 Kết cấu mặt đường cho đường giao thông nông thôn .................................. 110 4.3.2 Kết cấu mặt đường cho đường ô tô công cộng ............................................ 112 4.3.3 Kết cấu mặt đường cho đường ô tô cao tốc, đường chịu tải trọng nặng ....... 113 4.3.4 Giải pháp chống nứt phản ánh khi sử dụng lớp móng gia cố xi măng. ......... 114 4.4 Các thông số thiết kế kết cấu mặt đường .................................................... 115 4.4.1 Thông số về tải trọng: ................................................................................. 116 4.4.2 Thông số về nền đường: .............................................................................. 117 4.4.3 Thông số về khí hậu: ................................................................................... 119 4.4.4 Thông số về vật liệu: ................................................................................... 121 4.5 Tính toán kết cấu mặt đường ...................................................................... 127 4.6 Công nghệ sản xuất vật liệu đá thải Quảng Ninh ....................................... 129 4.7 Công nghệ thi công kết cấu mặt đường sử dụng vật liệu đá thải Quảng Ninh .................................................................................................................... 130 4.8 Nhận xét, kết luận Chương 4 ...................................................................... 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 136 vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT GTVT : Giao thông vận tải TCN : Tiêu chuẩn ngành TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN : Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam ĐCS : Đông Cao Sơn BGTVT : Bộ giao thông vận tải ANOVA : Phân tích phương sai Ip : Chỉ số dẻo CBR : Chỉ số sức chịu tải California CPĐD : Cấp phối đá dăm CPTN : Cấp phối thiên nhiên BTXM : Bê tông xi măng BTN : Bê tông nhựa GTNT : Giao thông nông thôn A – ĐCS : Cấp phối đá dăm được sản xuất từ vật liệu đất, đá thải của bãi thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh sau khi đã loại bỏ nhóm cỡ hạt có kích thước < 50 mm trở xuống. AB – ĐCS : Cấp phối đá dăm sản xuất từ vật liệu đất, đá thải của bãi thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh (bao gồm tất cả các nhóm cỡ hạt vốn có ở trạng thái nguyên khai, kể cả đất). UTT : Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Probabllty plot : bản đồ phân phối xác xuất StDev : độ lệch chuẩn Power curve for : đường cong độ mạnh cho thí nghiệm 1 – t - test Power : Độ mạnh viii Differ ence : sự khác biệt Sumple lize : số mẫu Assum ptions : Trung bình Residual plots tor Rn : Biểu đồ phần dư của Rn Nor mal probillity plot : Biểu đồ phân phối chuẩn Residual : Phần dư Histogram : Biểu đồ Fitted value : Giá trị Observation order : Thứ tự quan sát Density : Mật độ Data : Nhiệt độ ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Yêu cầu kỹ thuật đối với đá, đá thải đắp nền đường ............................... 13 Bảng 1.2: Phân loại về cường độ, kích cỡ đá sử dụng đắp nền đường .................... 13 Bảng 1.3. Chọn vật liệu tầng móng đường ô tô ...................................................... 22 Bảng 1.4. Yêu cầu về thành phần hạt của cấp phối đá dăm gia cố xi măng ............ 24 Bảng 1.5. Yêu cầu về thành phần hạt của cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng ...... 25 Bảng 2.1: Thành phần khoáng hóa đất, đá thải mỏ Đông Cao Sơn ......................... 43 Bảng 2.2: Khối lượng theo nhóm bãi thải Đông Cao Sơn ...................................... 44 Bảng 2.3: Khối lượng theo cấp bãi thải Đông Cao Sơn (nhóm A) .......................... 44 Bảng 2.4: Thành phần cỡ hạt của đất đá bãi thải Đông Cao Sơn (nhóm B) ............ 44 Bảng 2.5: Tổng hợp phân loại cỡ hạt của đất đá bãi thải Đông Cao Sơn ................ 45 Bảng 2.6: Danh mục, khối lượng, phương pháp thử nghiệm đất đá thải ................. 46 Bảng 2.7: Kết quả thí nghiệm cường độ đá gốc ..................................................... 46 Bảng 2.8: Tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định độ dẻo ....................................... 48 Bảng 2.9: Kết quả thí nghiệm CBR ....................................................................... 50 Bảng 2.10: Thành phần hạt của cấp phối đá dăm nhóm A-ĐCS ............................. 53 Bảng 2.11: Một số chỉ tiêu cơ lý của cấp phối đá dăm nhóm A-ĐCS ..................... 54 Bảng 2.12: Thành phần hạt của cấp phối đá dăm nhóm AB-ĐCS .......................... 56 Bảng 2.13: Tổng hợp khối lượng các thí nghiệm cần thực hiện nhóm A-ĐCS ....... 57 Bảng 2.14: Tổng hợp khối lượng các thí nghiệm cần thực hiện nhóm AB-ĐCS..... 58 Bảng 2.15: Tổng hợp kết quả thí nghiệm vật liệu A-ĐCS gia cố xi măng .............. 62 Bảng 2.16: Kết quả cường độ nén ở 14 ngày cấp phối AB-ĐCS với các tỷ lệ xi măng ..................................................................................................................... 63 Bảng 2.17: Kết quả cường độ ép chẻ ở 14 ngày và mô đun đàn hồi cấp phối ABĐCS với các tỷ lệ xi măng ..................................................................................... 64 Bảng 2.18: Số liệu phân tích DoE .......................................................................... 67 Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý đất mỏ Minh Quang ........................... 78 Bảng 3.2: Tổng hợp số đo nghiệm thu kích thước hình học đường thử nghiệm ...... 80 Bảng 3.3: Kết quả đo mô đun đàn hồi lớp đất nền K98 .......................................... 81 Bảng 3.4: Kết quả đo kích thước hình học lớp móng ............................................. 83 Bảng 3.5: Tổng hợp kết quả kiểm tra độ chặt lớp móng đường thử nghiệm ........... 84 x Bảng 3.6: Tổng hợp kết quả Edh lớp móng đường thử nghiệm .............................. 85 Bảng 3.7: Tổng hợp kết quả kiểm tra độ chặt lớp móng đường vật liệu đá thải ..... 88 Bảng 3.8: Vật liệu thi công lớp láng nhựa mặt đường ............................................ 89 Bảng 3.9: Yêu cầu về kiểm tra nghiệm thu vết nứt lớp CPĐD gia cố xi măng ....... 91 Bảng 3.10: Kết quả cường độ nén mẫu khoan tại hiện trường ................................ 98 Bảng 3.11: Kết quả cường độ ép chẻ mẫu khoan tại hiện trường.......................... 101 Bảng 3.12: Kết quả đo độ bằng phẳng bằng thước 3 mét ..................................... 104 Bảng 4.1: Kết cấu mặt đường cho đường GTNT.................................................. 110 Bảng 4.2: Kết cấu mặt đường cho đường ô tô công cộng ..................................... 112 Bảng 4.3: Kết cấu mặt đường cho đường ô tô cao tốc .......................................... 113 Bảng 4.4: Các đặc trưng của tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn ........................... 117 Bảng 4.5: Phân cấp quy mô giao thông ................................................................ 117 Bảng 4.6: Giá trị Mr (psi) theo các thông số của đất ............................................ 119 Bảng 4.7: Kết quả tính toán mác nhựa PG theo SHRP và LTPP .......................... 120 Bảng 4.8: Các trạm khí hậu MERRA-2 Quảng Ninh............................................ 121 Bảng 4.9: Thông số tính toán lớp vật liệu không gia cố ....................................... 121 Bảng 4.10: Yêu cầu đối lớp vật liệu gia cố chất liên kết vô cơ 22TCN211-06...... 122 Bảng 4.11: Yêu cầu đối lớp vật liệu gia cố chất liên kết vô cơ 22TCN274-01...... 123 Bảng 4.12: Yêu cầu đối với cường độ cấp phối gia cố xi măng TCVN 8858:2011 ............................................................................................................................ 123 Bảng 4.13: Yêu cầu đối với cường độ của CTB theo tiêu chuẩn 22TCN211-06 ... 124 Bảng 4.14: Yêu cầu đối với cường độ của CTB theo tiêu chuẩn 22TCN 274-01 .. 124 Bảng 4.15: Tiêu chuẩn lớp cốt liệu gia cố chất liên kết vô cơ ở Mỹ ..................... 125 Bảng 4.16: Thông số tính toán lớp vật liệu gia cố xi măng................................... 127 Bảng 4.17: Tính toán kết cấu mặt đường ............................................................. 127 Bảng 4.18: Tính toán kết cấu mặt đường KC6 theo 22TCN 274-01 ..................... 128 xi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Khai thác than tại Tavan Tolgoi, Trung Quốc .......................................... 5 Hình 1.2: Khai thác than tại Lippendorf, Neukieritzsch, CHLB Đức ....................... 5 Hình 1.3: Tình trạng đất, đá thải tại các mỏ than ở Quảng Ninh............................... 7 Hình 1.4: Mặt bằng theo quy hoạch bãi thải Đông Cao Sơn ..................................... 8 Hình 1.5: Thực trạng vật liệu đất, đá thải tại bãi thải Đông Cao Sơn ...................... 10 Hình 1.6: Hình ảnh sườn dốc bãi thải Đông Cao Sơn ............................................. 10 Hình 1.7: Thi công nền đường ô tô bằng đất, đá thải.............................................. 14 Hình 1.8: San rải và lu lèn đất, đá thải ................................................................... 14 Hình 1.9: Mặt đường sử dụng đá lát nhiều kích cỡ và đá xô bồ.............................. 15 Hình 1.10: Mặt đường sử dụng đất, đả thải (dạng cấp phối) ................................... 15 Hình 1.11: Đắp nền đường bằng đá thải Gói thầu A8 Cao tốc Hà Nội – Lào Cai ... 17 Hình 1.12: Đắp nền đường bằng đá thải Quốc lộ 1A đoạn Phủ Lý - Cầu Đoan Vĩ . 17 Hình 1.13: Hình ảnh lấy mẫu thí nghiệm tại bãi thải Nam Khe Tam ...................... 20 Hình 1.14: Công trình đường tạm sử dụng đất đá thải - Bãi thải Nam Khe Tam .... 20 Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu thí nghiệm trong phòng .............................................. 32 Hình 2.2: Biểu thị thành phần các chất kết dính vô cơ trên tọa độ tam giác đều ..... 35 Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc mang điện phức tạp của các hạt sét – keo [29,30] ........... 36 Hình 2.4: Phân bố cường độ đá gốc và giá trị đặc trưng Mẫu 1 .............................. 38 Hình 2.5: Phân tích lựa chọn số mẫu thí nghiệm .................................................... 40 Hình 2.6: Đất, đá thải mỏ Đông Cao Sơn ............................................................... 41 Hình 2.7: Lấy mẫu đất, đá thải đại diện mỏ Đông Cao Sơn.................................... 43 Hình 2.8: Biểu đồ cường độ đá gốc........................................................................ 47 Hình 2.9: Thử nghiệm chỉ tiêu LA trong phòng LAS-XD 72 ................................. 47 Hình 2.10: Biểu đồ LA .......................................................................................... 47 Hình 2.11: Thí nghiệm xác định độ dẻo ................................................................. 48 Hình 2.12: Biểu đồ xác định giới hạn chảy và giới hạn dẻo ................................... 49 Hình 2.13: Thí nghiệm CBR .................................................................................. 49 Hình 2.14: Biểu đồ CBR........................................................................................ 50 Hình 2.15: Biểu đồ CBR của CPDD nhóm A-ĐCS ................................................ 53 Hình 2.16: Biểu đồ xác định hệ số lớp a3 của lớp móng dưới làm bằng vật liệu hạt, xii theo các tham số cường độ: mô đun đàn hồi ESB và/ hoặc trị số CBR .................... 55 Hình 2.17: Chuẩn bị hỗn hợp gia cố xi măng ......................................................... 60 Hình 2.18: Chế bị, tháo khuôn và ký hiệu mẫu thử ................................................ 60 Hình 2.19: Thí nghiệm cường độ chịu nén ............................................................. 60 Hình 2.20: Thử nghiệm kiểm tra cường độ chịu nén khi ép chẻ ............................. 61 Hình 2.21: Biểu đồ cường độ nén ở 14 ngày A-ĐCS gia cố xi măng ..................... 61 Hình 2.22: Biểu đồ cường độ ép chẻ ở 14 ngày A-ĐCS gia cố xi măng ................. 61 Hình 2.23: Biểu đồ mô đun đàn hồi A-ĐCS gia cố 5% xi măng............................. 62 Hình 2.24: Biểu đồ cường độ nén ở 14 ngày AB-ĐCS ........................................... 65 Hình 2.25: Biểu đồ cường độ ép chẻ ở 14 ngày AB-ĐCS ...................................... 65 Hình 2.26: Biểu đồ phân tích điều kiện áp dụng phương pháp thống kê ................. 69 Hình 2.27: Biểu đồ các yếu tố ảnh hưởng Rn ......................................................... 69 Hình 2.28: Biểu đồ phân tích hậu định ANOVA-Tukey Rn ................................... 70 Hình 2.29: Biểu đồ các yếu tố ảnh hưởng Rech ..................................................... 71 Hình 2.30: Biểu đồ tổng hợp Rn, Rech .................................................................. 71 Hình 2.31: So sánh mô đun đàn hồi ....................................................................... 72 Hình 3.1: Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm hiện trường ............................................ 73 Hình 3.2: Hội nghị khoa học trao đổi về đoạn đường thử nghiệm .......................... 75 Hình 3.3: Kết cấu mặt đường thử nghiệm và các thông số thiết kế ......................... 76 Hình 3.4: Khai thác, vận chuyển và ập kết vật liệu ................................................ 76 Hình 3.5: Sản xuất vật liệu cấp phối đất, đá thải phục vụ cho thử nghiệm .............. 77 Hình 3.6: Xử lý đào nền thay đất trước khi đắp ..................................................... 79 Hình 3.7: Thi công đắp đất nền đường đoạn thử nghiệm ........................................ 80 Hình 3.8: Đo E lớp K98 đáy kết cấu áo đường....................................................... 81 Hình 3.9: Công tác ghép ván khuôn thi công lớp móng.......................................... 82 Hình 3.10: Công tác tập kết, san rải và lu lèn lớp móng dưới ................................. 83 Hình 3.11: Thí nghiệm kiểm tra độ chặt lớp móng dưới ở vị trí khác nhau ............ 84 Hình 3.12: Đo Edh tại 3 vị trí lớp móng đường thử nghiệm ................................... 85 Hình 3.13: Sơ họa đo Edh tại 3 vị trí lớp móng đường thử nghiệm ........................ 85 Hình 3.14: Công tác kiểm tra giám sát trạm trộn bê tông Sông Hồng 6 .................. 86 Hình 3.15: San, rải, lu lèn lớp cấp phối gia cố xi măng đoạn đường thử nghiệm .... 87 xiii Hình 3.16: Kiểm tra độ chặt lớp móng trên gia cố xi măng .................................... 88 Hình 3.17: Thi công láng nhựa mặt đường............................................................. 90 Hình 3.18: Sơ họa mặt bằng phạm vi đường thử nghiệm (vẽ lại hình) ................... 93 Hình 3.19: Thi công tạo khe .................................................................................. 93 Hình 3.20: Bảo dưỡng giai đoạn 2 (tưới Nhũ tương) .............................................. 94 Hình 3.21: Hiện tượng nứt trên mặt ....................................................................... 94 Hình 3.22: Sơ họa mặt bằng điểm khoan lấy mẫu .................................................. 97 Hình 3.23: Khoan mẫu thử D150 lớp mặt đường gia cố ......................................... 97 Hình 3.24: Xử lý hoàn thiện mẫu trong phòng thí nghiệm ..................................... 98 Hình 3.25: Kiểm tra và nén mẫu ............................................................................ 98 Hình 3.26: Phương trình hồi quy cường độ nén và tuổi mẫu .................................. 99 Hình 3.27: Thử nghiệm cường độ chịu nén khi ép chẻ ......................................... 100 Hình 3.28: Phương trình hồi quy cường độ ép chẻ và tuổi mẫu ............................ 102 Hình 3.29: Xe chuyển vật tư thi công Giảng đường A3. Trường ĐH CN GTVT .. 103 Hình 3.30: Đường thử nghiệm thời điểm tháng 10/2018 ...................................... 103 Hình 4.1: Sơ đồ nghiên cứu đề xuất các kết cấu mặt đường ................................. 106 Hình 4.2: Trình tự phân tích kết cấu mặt đường ................................................... 116 Hình 4.3: Phân tích thống kê nhiệt độ Quảng Ninh để xác định cấp nhựa PG ...... 120 Hình 4.4: Biểu đồ xác định hệ số lớp a2 của lớp móng trên làm bằng vật liệu gia cố xi măng, theo các tham số cường độ: Mô đun đàn hồi EBS và/hoặc ...................... 126 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề nghiên cứu Than là nguồn tài nguyên năng lượng chủ lực ở Việt Nam, đảm bảo nhiên liệu cho sản xuất công nghiệp quan trọng như sản xuất điện, thép, xi măng, phân bón, xây dựng và nhiều hoạt động khác góp phần không nhỏ trong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước. Trữ lượng than nước ta tập trung chủ yếu ở tỉnh Quảng Ninh với tỉ lệ đạt 67%, trong đó trữ lượng lớn nhất cùng chất lượng rất tốt tập trung tại khu vực Cẩm Phả - Cửa Ông. Có khoảng 30 mỏ và các điểm khai thác lộ thiên trong đó có 5 mỏ công suất từ 1 đến 3 triệu tấn/năm, bao gồm các mỏ Cao Sơn, Cọc Sáu, Hà Tu, Núi Béo. Khoảng 20 mỏ được khai thác theo kiểu hầm lò trong đó có 7 mỏ công suất từ 1 triệu tấn/năm trở lên gồm: Mạo Khê, Vàng Danh, Nam Mẫu, Hà Lầm, Mông Dương, Khe Chàm và Dương Huy. Từ trước đến nay việc khai thác than ở nước ta nói chung và Quảng Ninh nói riêng chủ yếu vẫn áp dụng công nghệ khai thác kiểu lộ thiên. Để khai thác và tuyển chọn được 1m3 than sạch thông thường phải bóc bỏ đổ đi từ 8 đến 12m3 đất đá thải. Trữ lượng đất đá đổ thải tiềm tích từ những năm đầu tiên khai thác than ở khu vực Cẩm Phả tính đến hết năm 2012 đã vào khoảng 3,7 tỷ m3 và dự tính trong giai đoạn 2013 - 2020, khối lượng đất đá thải từ khai thác than tại Quảng Ninh tiếp tục gia tăng khoảng 1,9 tỷ m3. Khu vực lân cận như Mạo Khê, Uông Bí, Cẩm Phả đất đá thải dồn thành các bãi chứa chất cao như núi. Đường vào các bãi thải mưa thì lầy, bùn và nước bẩn trôi ra bên ngoài, tràn lên mặt đất và công trình, lấp xuống hệ thống thoát nước, sông ngòi,… rồi chảy ra biển; nắng thì bụi đất đá than bay dày đặc, gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường đến mức báo động, hiện tượng sụt lở núi đất đá thải luôn rình rập, vùi lấp công trình, nhà cửa và gây tai họa cho con người. Trong những năm gần đây Tập đoàn than Khoáng sản Việt Nam quy hoạch các bãi đổ thải để tập trung thu gom đất đá thải từ các mỏ lân cận về một mối, trong đó có các mỏ như: Đông Cao Sơn (ĐCS), Bàng Nâu, Nam Khe Tam và Đông Khe Sim, chứa trên 94% tổng khối lượng đất đá thải toàn vùng. Tình trạng ô nhiễm môi trường đã có phần được cải thiện, tuy nhiên vẫn chưa khả thi trong việc ngăn chặn hệ lụy từ các bãi đổ thải hình thành từ khai thác than lộ thiên tại Quảng Ninh. Nghiên cứu khả năng sử dụng đất, đá thải tại các mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh như một nguồn vật liệu dùng trong xây dựng đường ô tô là một đề tài có tính thực tiễn và khả thi, góp phần vào việc bảo vệ môi trường cho khu vực Cẩm Phả, Cửa Ông, tỉnh Quảng Ninh cũng như các địa phương khác; đồng thời đáp ứng yêu 2 cầu về tận dụng nguyên liệu địa phương và tiết kiệm tài nguyên cho đất nước đảm bảo yêu cầu phát triển bền vững. Xuất phát từ thực tế đó, NCS đã đề xuất và thực hiện thành công đề tài nghiên cứu với tên luận án: “Nghiên cứu sử dụng đất đá thải từ các mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh làm đường ô tô” 2. Mục đích nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu khảo sát, thí nghiệm trong phòng và hiện trường, tiến hành phân tích đánh giá và đề xuất khả năng sử dụng đất, đá thải các mỏ than ở khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh trong xây dựng kết cấu mặt đường ô tô và mặt đường cho đường GTNT. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: đất, đá thải mỏ than ở khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh được gia cố với xi măng hoặc không gia cố sử dụng làm lớp vật liệu trong kết cấu mặt đường ô tô, mặt đường GTNT. 3.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu hiện trường đất, đá thải mỏ than ở khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh; nghiên cứu thử nghiệm trong phòng đất, đá thải mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh và gia cố với xi măng; nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường sử dụng đất, đá thải mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh làm mặt đường ô tô. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4.1 Ý nghĩa khoa học Làm rõ được cơ sở khoa học, hiệu quả gia cố xi măng đối với 02 loại cấp phối đề xuất (A-ĐCS và AB-ĐCS), được sản xuất từ đất đá thải nguyên khai, của bãi thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh. Bổ xung, hoàn thiện công nghệ thi công và kiểm soát chất lượng lớp vật liệu cấp phối AB-ĐCS gia cố xi măng trong xây dựng kết cấu mặt đường ô tô. Phân tích và đề xuất áp dụng một số kết cấu mặt đường ô tô điển hình sử dụng đất, đá thải mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần vào hiện thực hóa chủ trương tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và tận dụng vật liệu địa phương trong xây dựng đường ô tô. 3 Hoàn thiện dây chuyền công nghệ từ gia công đất, đá thải mỏ than đến trộn hỗn hợp gia cố, san, rải, đầm lèn và kiểm soát chất lượng về: độ đồng đều, nứt do co ngót, chế độ bảo dưỡng lớp cấp phối đất, đá thải gia cố xi măng trong xây dựng mặt đường ô tô. Xây dựng thành công một đoạn đường thử nghiệm có kết cấu áo đường với móng dưới là cấp phối đất, đá thải mỏ than không gia cố và móng trên là cấp phối đất, đá thải mỏ than có gia cố xi măng kết hợp với láng nhựa phủ mặt đạt Eyc = 110 MPa. Bước đầu đề xuất được thành phần cấp phối, tỷ lệ xi măng hợp lý dùng trong gia cố và chỉ tiêu kỹ thuật của các lớp vật liệu cấp phối đất, đá thải có và không gia cố xi măng dùng trong tính toán thiết kế và xây dựng mặt đường ô tô. Đề xuất phạm vi áp dụng và một số kết cấu áo đường mẫu dùng trong đường ô tô và đường GTNT. 5. Cấu trúc của luận án Đề tài bao gồm: Thuyết minh và Phụ lục 5.1 Thuyết minh  Phần mở đầu  Chương 1: Tổng quan các kết quả nghiên cứu sử dụng đất, đá thải mỏ than trong xây dựng kết cấu mặt đường ô tô.  Chương 2: Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng và đề xuất sử dụng đất, đá thải mỏ than ở khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh làm vật liệu xây dựng kết cấu mặt đường ô tô.  Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường với kết cấu mặt đường sử dụng đất, đá thải mỏ than ở khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh gia cố xi măng.  Chương 4: Nghiên cứu đề xuất một số kết cấu mặt đường và phạm vi áp dụng lớp đất, đá thải mỏ than ở khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh.  Phần kết luận và kiến nghị. 5.2 Phụ lục:  Các kết quả thí nghiệm.  Các hình ảnh theo dõi hiện trường. 4 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 Tổng quan về đất, đá thải từ các mỏ khai thác than 1.1.1 Khai thác than và đất đá thải từ các mỏ than trên thế giới Cho tới nay than đá vẫn là nguồn năng lượng chủ yếu của loài người. Trữ lượng than trên toàn thế giới cao hơn gấp nhiều lần trữ lượng dầu mỏ và khí đốt. Người ta ước tính tổng trữ lượng than của cả thế giới là trên 13.000 tỷ tấn, trong đó trữ lượng có thể khai thác là 3.000 tỷ tấn. Than tập trung chủ yếu ở Bắc bán cầu, trong đó đến 80% trữ lượng tập trung tại Trung Quốc, Hoa Kỳ, Liên Bang Nga, Ucraina, CHLB Đức, Ấn Độ, Ôxtrâylia, Ba Lan,...[55] Than là một ngành công nghiệp mang tính toàn cầu, lượng than thương mại được khai thác tại hơn 50 quốc gia và được tiêu thụ tại trên 70 quốc gia trên toàn thế giới. Hàng năm có khoảng hơn 4.030 triệu tấn than được khai thác; con số này đã tăng 38% trong vòng 20 năm qua. Sản lượng khai thác tăng nhanh nhất ở khu vực châu Á, trong khi đó tốc độ khai thác tại châu Âu đang giảm dần. Năm nước khai thác than lớn nhất hiện nay là: Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Úc và Nam Phi. Hầu hết các nước khai thác than cho nhu cầu tiêu dùng nội địa, chỉ có khoảng 18% dành cho thị trường xuất khẩu [62]. Công nghiệp khai thác than xuất hiện tương đối sớm và được phát triển từ nửa sau thế kỉ XIX. Trong vòng 50 năm qua, sản lượng than khai thác được tăng trung bình là 5,4%/năm, cao nhất vào thời kì 1950 - 1980 đạt 7%/năm. Từ đầu thập kỉ 90 đến nay, mức tăng giảm xuống chỉ còn 1,5%/năm. Mặc dù việc khai thác và sử dụng than có thể gây hậu quả xấu đến môi trường (đất, nước, không khí,...), song nhu cầu than không vì thế mà giảm đi. Sản lượng than tập trung chủ yếu ở khu vực châu Á Thái Bình Dương, Bắc Mỹ, Nga và một số nước Đông Âu. Từ thập niên 90 của thế kỷ XX, việc tìm ra những mỏ than lớn ở Trung Quốc đã giúp nước này đứng đầu thế giới về khai thác than, vượt trên cả Hoa Kỳ. Các nước sản xuất than hàng đầu là Trung Quốc, Hoa Kỳ, Ấn Độ, Ôxtrâylia, Nga, chiếm tới 2/3 sản lượng than của thế giới. Nếu tính cả một số nước như Nam Phi, CHLB Đức, Ba Lan, CHDCND Triều Tiên,... thì con số này lên đến 80% sản lượng than toàn cầu [55]. 5 Hình 1.1: Khai thác than tại Tavan Tolgoi, Trung Quốc Hoạt động khai thác và chế phẩm, tiêu thụ than đang gây ra vấn đề môi trường nghiêm trọng. Tác động môi trường của khai thác than bao gồm xói mòn, sụt sạt đất, mất cân bằng đa dạng sinh học, ô nhiễm đất, nước ngầm và nước mặt do hóa chất từ chế biến than. Trong một số trường hợp, rừng ở vùng lân cận còn bị chặt phá để lấy chỗ chứa chất thải khai thác mỏ than. Công nghệ khai thác, chế biến và sàng tuyển than có ảnh hưởng rất lớn tới môi trường. Công nghệ khai thác lộ thiên tồn tại một lượng đất, đá thải khá lớn và chiếm nhiều diện tích bãi chứa đổ thải, gây ô nhiễm không khí, đất và ô nhiễm nguồn nước, giảm diện tích rừng cũng như diện tích đất sản xuất. Công nghệ khai thác hầm lò hiện nay cũng sẽ làm mất khoảng 50% trữ lượng, gây lún đất, ô nhiễm nước, tiêu hao gỗ chống lò và tiềm ẩn tai nạn hầm lò. Công nghệ chế biến và sàng tuyển than cũng tạo ra bụi và nước thải chứa than, kim loại nặng. Bên cạnh việc hủy hoại môi trường, việc ô nhiễm do hóa chất cũng ảnh hưởng đến sức khỏe người dân địa phương. Hình 1.2: Khai thác than tại Lippendorf, Neukieritzsch, CHLB Đức