Tài liệu Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp vật liệu xỉ than tro bay xi măng từ nhà máy nhiệt điện duyên hải đắp nền và làm lớp móng kết cấu áo đường

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH THÀNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỖN HỢP VẬT LIỆU TT XỈ THAN - TRO BAY - XI MĂNG TỪ NHÀ MÁY L va NHIỆT ĐIỆN DUYÊN HẢI ÐẮP NỀN VÀ LÀM TT H LỚP MÓNG KẾT CẤU ÁO ÐƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH THÀNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỖN HỢP VẬT LIỆU XỈ THAN - TRO BAY - XI MĂNG TỪ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN DUYÊN HẢI ÐẮP NỀN VÀ LÀM va TT LỚP MÓNG KẾT CẤU ÁO ÐƯỜNG H TT Mã số : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông L Chuyên ngành : 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS CHÂU TRƯỜNG LINH Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Tác giả TT H L va TT Huỳnh Thành ii NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỖN HỢP VẬT LIỆU XỈ THAN - TRO BAY XI MÃNG TỪ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN DUYÊN HẢI ÐẮP NỀN VÀ LÀM LỚP MÓNG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG Học viên: Huỳnh Thành Chuyên ngành: KTXD công trình giao thông Mã số: 60.58.02.05 Khóa Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Mục tiêu của đề tài là sử dụng xỉ than, tro bay từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải để nghiên cứu mối quan hệ giữa các hàm lượng vật liệu trong hỗn hợp xỉ than - tro bay xi măng thông qua thực nghiệm với các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp vật liệu như: Cường độ nén, cường độ ép chẻ, sức chống cắt, C, ᵠ, CBR, đầm nén tiêu chuẩn, mô đun đàn hồi,... va TT Trong luận văn này đề xuất sử dụng phế phẩm hỗn hợp (xỉ than - tro bay - xi măng) từ kết quả thực nghiệm đạt yêu cầu về cường độ để thay thế lớp cát đắp nền và làm lớp móng kết cấu áo đường trong xây dựng công trình giao thông nông thôn, thân đê, đập công trình thủy lợi, gia cố móng trong xây dựng đắp nền và làm lớp móng kết cấu áo đường, thông qua mô hình mô phỏng bằng phần mềm Plaxis. Đồng thời sử dụng kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm cơ sở tham khảo, phục vụ công tác thiết kế, xây dựng các công trình gia cố nền đường đắp qua vùng đất yếu góp phần tận dụng được nguồn vật liệu thải ra trong quá trình đốt than tại các nhà máy nhiệt điện Duyên Hải tại tỉnh Trà Vinh nhằm giải quyết giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiết kiệm diện tích đất dùng làm bãi chứa chất thải xỉ than, tro bay và góp phần tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên làm vật liệu xây dựng, bảo đảm phát triển bền vững. Từ khóa: Hỗn hợp xỉ than - tro bay - xi măng - đắp nền - lớp móng đường H L STUDY OF USING BOTTOM ASH - ASH FLY - CEMENT FROM DUYEN HAI THEMAL POWER PLANTS FOR THE BACKFILL OF EMBANKAENT PAVENET’S BASE TT Abstract: The objective of the topic is to use Bottom ash and fly ash from Duyen Hai Thermal Power Plants to study the relationship between material contents in the mixture of Bottom ash - fly ash - cement through the experiment under the certain physical and mechanical features of the mixture ᵠ such as: Compressive Strength, Pressing and splitting strength, cutting resistance, C, , CBR, Standard Compaction, Elastic Module, ... In this thesis, the author has proposed to use a mixed waste product (Bottom ash - fly ash cement) from the experimental results meeting the requirements of its strength to replace the sand layer for embankment filling and create a surface dressing structure foundation layer in rural traffic work construction, dyke body, dams for irrigational works, foundation reinforce in embarkment filling construction and create a surface dressing structure foundation layer, through Plaxis simulation model. At the same time, the topic’s research results can be used as a basis for reference in designing, constructing the works reinforcing the road foundation at the weak soil areas that contributes to make use of the waste materials generated during the coal burning process at Duyen Hai Thermal Power Plants in Tra Vinh in order to reduce the environmental pollution, save the land areas used as a warehouse to contain the waste such as Bottom ash, fly ash and save the natural resources and make sure of a sustainable development. Keywords: A mixture of Bottom ash - fly ash - cement - embankment - road foundation iii MỤC LỤC TT H L va TT Trang phụ bìa Lời cam đoan .............................................................................................................. i Tóm tắt luận văn ........................................................................................................ ii Mục lục ..................................................................................................................... iii Danh mục các bảng .................................................................................................. vi Danh mục các hình ................................................................................................. viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐẮP NỀN ĐƯỜNG VÀ LÀM MÓNG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG TẠI TRÀ VINH - CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ YÊU CẦU ...........................................................................................4 1.1. Tổng quan về tình hình sử dụng vật liệu đắp nền đường và làm tầng móng kết cấu áo đường áp dụng tại Trà Vinh ....................................................................4 1.1.1. Tình hình sử dụng vật liệu làm lớp đắp nền đường và lớp móng đường tại Trà Vinh .............................................................................................4 1.1.2. Cấp phối đất thiên nhiên [11] ...................................................................4 1.1.3. Cát đen (có hoặc không có gia cố chất liên kết vô cơ) [1].........................5 1.1.4. Phế phẩm công nghiệp [3] ........................................................................5 1.1.5. Cấp phối đá dăm [10] ................................................................................6 1.2. Các yêu cầu về chỉ tiêu cơ lý đối với vật liệu đắp nền đường và làm tầng móng kết cấu áo đường ..............................................................................................6 1.2.1. Yêu cầu đối với vật liệu đắp nền đường trên nền đất yếu - các thí nghiệm [12] ..........................................................................................................6 1.2.2. Yêu cầu đối với vật liệu làm tầng móng kết cấu áo đường ôtô - các thí nghiệm (móng trên, móng dưới) .......................................................... 12 1.3. Các lý thuyết tính toán ổn định , lún nền đường theo tiêu chuẩn hiện hành..14 1.3.1. Lý thuyết tính toán ổn định theo phương pháp căn bằng giới hạn [4] . 14 1.3.2. Lý thuyết tính toán lún nền đường theo tiêu chuẩn hiện hành ............ 16 1.3.3. Tính toán theo mô hình trên phần mềm Plaxis 8.2 [10]........................ 17 1.4. Các lý thuyết tính toán, kiểm tra kết cấu nền áo đường theo tiêu chuẩn hiện hành [8].....................................................................................................................18 1.5. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước ..............................................19 1.5.1. Nghiên cứu trong nước ......................................................................... 19 1.51.1. Nghiên cứu của ThS.Trần Văn Tuấn, 2017 [7] ........................... 19 1.5.1.2. Nghiên cứu của nhóm đồng tác giả ThS.Bùi Anh Tuấn và ThS.Lê xuân Quí, 2015 [6] ................................................................................ 21 1.5.2. Nghiên cứu trên thế giới ....................................................................... 23 iv TT H L va TT 1.5.2.1. Nghiên cứu của Salgado R. và cộng sự, 2007 [13] .................... 23 1.5.2.2. Nghiên cứu của nhóm đồng tác giả Tanaya Deb và Sujit Kumar Pal, 2014 [14] ....................................................................................... 24 Kết luận chương 1 ....................................................................................................26 Chương 2: XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA HỖN HỢP XỈ THAN TRO BAY - XI MĂNG ............................................................................................27 2.1. Phế phẩm xỉ than, tro bay tại nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải .......................27 2.1.1. Phế phẩm xỉ than (bottom ash) ............................................................. 27 2.1.2. Phế phẩm tro bay (fly ash) .................................................................... 27 2.2. Các chỉ tiêu cơ lý của xỉ than, tro bay và xi măng ...........................................28 2.2.1. Chỉ tiêu cơ lý của xỉ than (TCVN 7572-2-2006) .................................... 28 2.2.2. Chỉ tiêu cơ lý hóa tro bay...................................................................... 29 2.2.3. Chỉ tiêu cơ lý hóa của xi măng .............................................................. 30 2.2.4. Nguyên lý hình thành cường độ của hỗn hợp Xỉ than - Tro Bay - Xi măng ..................................................................................................... 31 2.3. Kế hoạch thực nghiệm ......................................................................................31 2.4. Các chỉ tiêu cơ lý hỗn hợp Xỉ than - Tro bay - Xi măng tương ứng với các tỉ lệ khác nhau .................................................................................................................33 2.4.1. Thí nghiệm thành phần hạt hỗn hợp (TCVN 7572:2006) ..................... 33 2.4.2. Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn (TCVN 4201:2012) ............................ 33 2.4.3. Thí nghiệm nén đơn trục (qu) (ASTM D2166-98A) .............................. 34 2.4.4. Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ (Rch) (TCVN 8862:2011) ... 36 2.4.5. Thí nghiệm sức chống cắt (TCVN 4199:2012) ...................................... 38 2.4.6. Thí nghiệm môđun đàn hồi (TCVN 9843-2013) ................................... 39 2.4.7. Thí nghiệm hệ số thấm (TCVN 8723:2012) .......................................... 40 2.4.8. Thí nghiệm CBR (Dựa theo tiêu chuẩn (22TCN 332-06) ..................... 41 2.4.9. Thí nghiệm giới hạn chảy hỗn hợp vật liệu bằng quả dọi thăng bằng TCVN (4197-2012) ............................................................................... 43 2.5. Thi công thử nghiệm hiện trường lớp xỉ than - tro bay - xi măng ..................43 2.6. Đánh giá kết quả các tổ mẫu thử ................................................................... 455 Kết luận chương 2 ................................................................................................... 46 Chương 3: VẬN DỤNG TÍNH TOÁN LỚP VẬT LIỆU XỈ THAN - TRO BAY XM ĐẮP NỀN VÀ LÀM KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG.................................................47 3.1. Tính toán kết cấu áo đường tuyến đường Nguyễn Đáng nối Dài ....................47 3.1.1. Giới thiệu công trình...............................................................................47 3.1.2. Kiểm tra cường độ chung của kết cấu theo tiêu chuẩn của độ võng đàn hồi thực tế tuyến đường Nguyễn Đáng nối dài .....................................48 3.1.3. Tính toán kết cấu áo đường sử dụng lớp vật liệu xỉ than - tro bay - xi măng thay thế lớp cấp phối đá dăm loại II theo 22TCN 211-06 ...........49 v TT H L va TT 3.1.3.1. Định Kết cấu và tham số tính toán ............................................ 49 3.1.3.2. Kiểm tra cường độ chung của kết cấu theo tiêu chuẩn của độ võng đàn hồi lớp hỗn hợp vật liệu 6% xi măng ................................. 50 3.1.3.3. Kiểm tra cường độ chung của kết cấu theo tiêu chuẩn của độ võng đàn hồi lớp hỗn hợp vật liệu 6% xi măng giảm chiều dày lớp kết cấu ................................................................................................... 51 3.2. Xây dựng mô hình số trên phần mềm Plaxis mô phỏng sự làm việc của nền đắp bằng vật liệu xỉ than - tro bay - xi măng ..........................................................52 3.2.1. Tiến hành mô phỏng trên Plaxis V8.2 ....................................................52 3.2.2. Các trường hợp tính................................................................................54 3.3. Dự toán giá thành thi công lớp vật liệu xỉ than – tro bay – xi măng so sánh với vật liệu địa phương hiện tại .....................................................................................61 3.3.1. Cơ sở tính toán ........................................................................................61 3.3.2. Kết quả tính toán.....................................................................................61 Kết Luận chương 3 ..................................................................................................64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................65 1. Kết luận ................................................................................................................65 2. Kiến Nghị ..............................................................................................................65 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................66 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC BẢNG TT va L 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 3.1 3.2 3.3. Phân loại cát đen Quy định Độ chặt đầm nén yêu cầu đối với nền đường Quy định về sức chịu tải (CBR) nhỏ nhất Phân loại đất hạt thô Phân loại nhanh đất hạt thô Bảng phân loại Tên đất, ký hiệu và phạm vi kích thước hạt theo USCS Thành phần hạt của cấp phối đá dăm Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu CPĐD Cường độ gạch đá làm nền móng Quy định độ lún tối thiểu Tổng hợp cường chịu nén của đất hỗn hợp Thành phần hạt xỉ than Phân tích khối lượng riêng xỉ than Các chỉ tiêu cơ - lý - hóa của tro bay Thành phần hóa học của Xi măng [17] Các chỉ tiêu cơ - lý - hóa của xi măng Bảng cấp phối trộn hỗn hợp vật liệu Bảng kế hoạch thực nghiệm Các chỉ tiêu dung trọng, độ ẩm mẫu hỗn hợp vật liệu Tổng hợp nén đơn trục mẫu hỗn hợp vật liệu Tổng hợp Cường độ chịu kéo khi ép chẻ mẫu hỗn hợp vật liệu Kết quả sức chống cắt hỗn hợp vật liệu Kết quả cường độ môđun đàn hồi hỗn hợp vật liệu Kết quả đo hệ số thấm hỗn hợp vật liệu Kết quả sức chịu tải CBR mẫu hỗn hợp vật liệu Kết quả giới hạn chảy hỗn hợp vật liệu Kết quả kiểm môđun đàn hồi lớp cấp phối đá dăm Kết quả đo mô đun đàn hồi sau 7 ngày So sánh chỉ tiêu cơ lý của vật liệu gia cố TCNV 10379-2014 Bảng tổng hợp cấp độ bền Thông số của các lớp vật liệu trong kết cấu Nguyễn Đáng Thông số của các lớp vật liệu trong kết cấu hỗn hợp vật liệu Tính toán Etb của kết cấu hỗn hợp vật liệu H 1.6 Tên bảng TT Số hiệu Bảng 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Trang 5 7 8 9 10 11 12 13 13 17 20 28 29 29 30 30 31 32 33 36 37 38 39 40 42 43 44 44 45 46 48 49 50 vii TT 3.13 3.14 va 3.12 L 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 H 3.6 Tính toán Etb của kết cấu hỗn hợp vật liệu giảm chiều dày Tính chất cơ lý các lớp đất nền mô phỏng trong Plaxis Tính chất cơ lý các lớp vật liệu kết cấu áo đường mô phỏng trong Plaxis Bảng tổng hợp quy đổi xe Giá trị độ lún theo vị trí các lớp vật liệu Giá trị độ lún theo vị trí các lớp vật liệu Giá trị độ lún theo vị trí các lớp vật liệu Tổng hợp kết quả độ lún Dự toán chi phí cho 2 lớp móng dưới kết cấu áo đường cấp phối đá dăm và hỗ hợp vật liệu xỉ than, tro bay, XM Tổng hợp kết quả môđun đàn hồi Ech Tổng hợp kết quả độ lún TT 3.4 3.5 51 52 53 54 57 59 60 61 61 64 64 viii DANH MỤC CÁC HÌNH 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 3.1 3.2 TT 1.10 va 1.9 L 1.8 Sơ đồ phân mãnh với mặt trượt tròn Sơ đồ xác định tâm trượt nguy hiểm Biểu đồ cường độ chịu nén theo thời gian Cường độ nén Rn nhóm mẫu 1 ở các ngày tuổi khác nhau Mô đun đàn hồi E đh nhóm mẫu 1 ở các ngày tuổi khác nhau Sức chịu tải CBR nhóm mẫu 1 ở ngày tuổi 28 Biểu đồ nén trục đơn của đất hỗn hợp tro bay (a) nhà máy Wabash River và (b) nhà máy A.B. Brwon Biểu đồ sức kháng cắt của đất hỗn hợp tro bay (a) nhà máy Wabash River và (b) nhà máy A.B. Brwon Biểu đồ hệ số thấm của đất hỗn hợp theo hàm lượng tro bay Biểu đồ sức kháng nén của đất hỗn hợp ở thời gian 1 ngày và 7 ngày Tro xỉ than dưới kính hiển vi [5] Biểu đồ cấp phối hạt xỉ than Mẫu xỉ than Mẫu tro bay Biểu đồ Cấp phối mẫu hỗn hợp vật liệu Kết quả đầm chặt proctor - đường bảo hòa mẫu hỗn hợp vật liệu Nén đơn trục mẫu vật liệu hỗn hợp Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng mẫu hỗn hợp vật liệu Biểu đồ cường độ nén đơn trục mẫu hỗn hợp vật liệu Nén ép chẻ mẫu vật liệu hỗn hợp Biểu đồ cường độ chịu kéo khi ép chẻ mẫu hỗn hợp vật liệu Thí nghiệm sức chống cắt mẫu vật liệu hỗn hợp Nén môđun đàn hồi mẫu vật liệu hỗn hợp Biểu đồ môđun đàn hồi mẫu hỗn hợp vật liệu Thí nghiệm thấm mẫu vật liệu hỗn hợp Biểu đồ thấm theo áp lực nén Biểu đồ kết quả thí nghiệm CBR mẫu G2-48 Biểu đồ kết quả thí nghiệm CBR mẫu hỗn hợp Hình đo E hiện trường Các lớp kết cấu áo đường tuyến đường Nguyễn Đáng Mặt cắt tuyến đường Nguyễn Đáng H 1.7 Tên hình TT Số hiệu Hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Trang 14 15 20 21 22 22 23 24 25 25 28 28 30 30 33 34 35 35 36 37 37 38 39 39 40 41 42 42 44 47 48 ix 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 55 56 56 56 57 57 58 58 3.17 3.18 3.19 3.20 58 TT 3.16 H L 3.15 50 53 54 55 55 TT 3.8 Thay thế lớp CPĐD loại II bằng lớp hỗn hợp vật liệu 6% xi măng Ký hiệu các lớp vật liệu Sử dụng bài toán đối xứng trục cho mô hình này Mô hình đối xứng trục tại tim dãi phân cách Mô hình Lưới phân tử Mực nước ngầm theo báo cáo địa chất ở độ sâu -2,0m (Đo sau 24h) Ứng suất ban đầu của mô hình tính trên Plaxis Chuyển vị của nền đường theo lưới phần tử trên mô hình Plaxis 8.2 ở mặt cắt theo thiết kế Chuyển vị theo hai phương trên mô hình Plaxis 8.2 ở mặt cắt theo thiết kế Độ lún nền đường trên mô hình Plaxis 8.2 ở mặt cắt theo thiết kế Sơ đồ tính khi thay kết cấu áo đường (lớp cát đắp bằng hỗn hợp gia cố xỉ than - tro bay - xi măng 2%) Chuyển vị của nền đường theo lưới phần tử trên mô hình Plaxis 8.2 khi thay kết cấu áo đường (lớp cát đắp bằng hỗn hợp gia cố xỉ than-tro bay-xi măng 2%) Chuyển vị theo hai phương trên mô hình Plaxis 8.2 khi thay kết cấu áo đường (lớp cát đắp bằng hỗn hợp gia cố xỉ than - tro bay xi măng 2%) Độ lún nền đường trên mô hình Plaxis 8.2 khi thay kết cấu áo đường (lớp cát đắp bằng hỗn hợp gia cố xỉ than - tro bay - xi măng 2%) Sơ đồ tính khi thay kết cấu áo đường (móng đường bằng hỗn hợp gia cố xỉ than - tro bay - xi măng 6%) Chuyển vị của nền đường theo lưới phần tử trên mô hình Plaxis 8.2 khi thay kết cấu áo đường (móng đường bằng hỗn hợp gia cố xỉ than - tro bay - xi măng 6%) Chuyển vị theo hai phương trên mô hình Plaxis 8.2 khi thay kết cấu áo đường (móng đường bằng hỗn hợp gia cố xỉ than - tro bay - xi măng 6%) Độ lún nền đường trên mô hình Plaxis 8.2 khi thay kết cấu áo đường (móng đường bằng hỗn hợp gia cố xỉ than - tro bay - xi măng 6%) va 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 59 59 60 60 1 MỞ ĐẦU TT H L va TT 1. Đặt vấn đề Trên thế giới hầu hết tất cả các nước đang phát triển vẫn luôn chú trọng và ưu tiên việc phát triển kinh tế lên hàng đầu. Trong các mục tiêu và giải pháp phục vụ phát triển kinh tế thì phát triển năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu phục vụ cho ngành sản xuất và nhu cầu sinh hoạt cho toàn nhân loại. Ngày 21 tháng 7 năm 2011, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 1208/QĐ-TTg phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020. Thực hiện Quyết định trên, các nhà máy nhiệt điện đốt than sẽ được tiếp tục phát triển để đến năm 2020 với tổng công suất đạt khoảng 36.000 MW, điện sản xuất khoảng 156 tỷ kWh (chiếm khoảng 46,8% sản lượng điện sản xuất) và tiêu thụ khoảng 67,3 triệu tấn than, thải ra môi trường khoảng 15 - 20 triệu tấn tro xỉ và khối lượng lớn khí SOx độc hại. Năm 2030 công suất nhiệt điện đốt than là 72.000 MW sẽ tiêu thụ 100 triệu tấn than và thải ra khoảng 30 triệu tấn tro xỉ và khí SOx khoảng 5 triệu tấn mỗi năm [15]. Những năm gần đây, nước ta đã đầu tư xây dựng rất nhiều nhà máy nhiệt điện để đấu nối vào lưới điện quốc gia, giảm phụ thuộc vào nguồn thủy điện. Tại Trà Vinh dự án xây dựng nhà máy nhiệt điện Duyên Hải cơ bản đã đưa vào hoạt động nhà máy số 1 với công suất 1.200 MW hòa lưới đồng bộ vào lưới điện quốc gia, theo số liệu từ thuyết minh dự án đầu tư nhà máy nhiệt điện Duyên Hải có khối lượng chất thải rắn sản xuất phát sinh từ nhà máy bao gồm xỉ than sinh ra từ quá trình đốt lò với khối lượng 1,19 triệu tấn/năm (trong đó bao gồm 80 - 85% là tro bay khối lượng 920 nghìn tấn/năm, còn lại là than xỉ khối lượng 230 nghìn tấn/năm), dự kiến đến 2016 nhà máy nhiệt điện Duyên Hải vận hành hết công suất sẽ có lượng xỉ than khoảng 4 triệu tấn/năm, bãi chứa xỉ than quy mô 80ha có sức chứa 12 triệu m3 đã và đang hoàn chỉnh khối lượng xây dựng trong khuôn viên quy hoạch nhà máy [16]. Với khối lượng tro xỉ than như trên sẽ là mối nguy cơ dẫn đến ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng lớn đến đời sống của người dân tại địa phương. Để giải quyết vấn đề này buộc chính quyền các cấp và các nhà khoa học phải tìm biện pháp khắc phục nhằm ổn định kinh tế - xã hội. Lò thải tro bay, xỉ than Bãi chứa xỉ than, tro bay 2 TT H L va TT Thực tế, ở nhiều nước trên thế giới, tro xỉ than từ các nhà máy nhiệt điện được sử dụng rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong xây dựng. Việc sử dụng rác thải công nghiệp như tro, xỉ than trong xây dựng đường giao thông luôn luôn được khuyến khích và đôi khi là một điều kiện bắt buộc. Tỉnh Trà Vinh là một trong số những tỉnh được Trung Ương ưu tiên đầu tư quy hoạch xây dựng nông thôn mới. Giai đoạn năm 2011- 2015 tỉnh Trà vinh có 17 xã thực hiện xây dựng nông thôn mới nhưng cho đến nay chỉ được 4 xã đạt tiêu chí nông thôn mới, đa phần các xã không đạt tiêu chí nông thôn mới phần lớn là do mạng lưới giao thông nông thôn không đạt theo bộ tiêu chí của nông thôn mới. Chính vì vậy các cấp chính quyền của tỉnh Trà Vinh đầu tư xây dựng mạng lưới đường giao thông nông thôn cho 13 xã còn lại đến năm 2020 để góp phần xây dựng nông thôn mới. Từ các vấn đề nêu trên, học viên quan tâm và thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp vật liệu xỉ than - tro bay - xi măng từ nhà máy nhiệt điện duyên Hải đắp nền và làm lớp móng kết cấu áo đường”. Từ việc nghiên cứu bằng thực nghiệm, kết hợp lý thuyết tính toán bằng số liệu cụ thể để từ kết quả tính toán, học viên sẽ đưa ra những nhận định và các đề xuất, kiến nghị nhằm tiêu thụ chất thải xỉ than của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải tỉnh Trà Vinh, giảm tải về bãi chứa xỉ than, tận dụng chất thải vào ngành xây dựng giao thông nông thôn, hạn chế ảnh hưởng môi trường cho địa phương. 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu tổng quát Mục tiêu quan trọng của đề tài: Xác định quan hệ giữa các hàm lượng vật liệu trong hỗn hợp xỉ than - tro bay - xi măng đến các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp. Kiến nghị áp dụng để thay thế lớp đắp nền đường và làm lớp móng kết cấu áo đường cho các công trình giao thông tại tỉnh Trà Vinh. 2.2. Mục tiêu cụ thể - Sử dụng hỗn hợp xỉ than - tro bay - xi măng để ứng dụng xử lý nền trong công trình xây dựng trên nền đất yếu như: đường giao thông nông thôn, thân đê, đập công trình thủy lợi, gia cố móng nhà có tải trọng nhỏ, ... - Quan hệ giữa các tỉ lệ xỉ than - tro bay - xi măng với các chỉ tiêu cơ lý của hỗn ᵠ hợp: Cường độ nén, cường độ ép chẻ, sức chống cắt, C, , CBR, đầm nén tiêu chuẩn, môđun đàn hồi,... - Sử dụng nguyên liệu sẵn có tại địa phương là chất thải than xỉ, tro để nghiên cứu, ứng dụng vào ngành xây dựng giao thông cho tỉnh nhà. - Giảm giá thành xây dựng công trình. - Góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường vì chất thải xỉ than, tro bay được thải ra chôn lấp. 3 TT H L va TT 3. Đối tượng nghiên cứu - Hỗn hợp xỉ than, tro bay từ nhà máy nhiệt điện Duyên Hải kết hợp với xi măng để tạo thành lớp vật liệu biến cứng đạt yêu cầu trong xây dựng đắp nền và làm lớp móng kết cấu áo đường. 4. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu sử dụng vật liệu xỉ than - tro bay - xi măng nhà máy nhiệt điện Duyên Hải, đắp nền và làm lớp móng kết cấu áo đường. 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan: thu thập tài liệu, tìm hiểu lý thuyết tính toán vật liệu đắp nền và lớp móng kết cấu áo đường. - Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của xỉ than - tro bay - xi măng. - Mô hình số sự làm việc của đắp nền, lớp kết cấu áo đường sử dụng xỉ than - tro bay - xi măng. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài 6.1. Ý nghĩa khoa học - Việc nghiên cứu sử dụng nguồn thải xỉ than - tro bay từ Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải đánh giá khả năng làm việc của hỗn hợp nhằm tăng sức chịu tải của nền móng đường của công trình xây dựng và giao thông. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm cơ sở tham khảo, phục vụ công tác thiết kế, xây dựng các công trình gia cố nền đường đắp qua vùng đất yếu góp phần tận dụng được nguồn vật liệu thải ra trong quá trình đốt than tại các nhà máy nhiệt điện Duyên Hải tại địa phương nhằm giải quyết giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiết kiệm diện tích đất dùng làm bãi chứa chất thải xỉ than, tro bay và góp phần tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên làm vật liệu xây dựng, bảo đảm phát triển bền vững. - Kết quả nghiên cứu giúp cho chủ đầu tư có thêm phương án so sánh phương án xử lý, gia cố nền đường. 4 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐẮP NỀN ĐƯỜNG VÀ LÀM MÓNG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG TẠI TRÀ VINH - CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ YÊU CẦU TT H L va TT 1.1. Tổng quan về tình hình sử dụng vật liệu đắp nền đường và làm tầng móng kết cấu áo đường áp dụng tại Trà Vinh 1.1.1. Tình hình sử dụng vật liệu làm lớp đắp nền đường và lớp móng đường tại Trà Vinh Đồng bằng Sông Cửu Long cũng như ở tỉnh Trà Vinh nền đất chủ yếu là các loại đất bùn và cát giồng, đá rất khan hiếm, cho nên xử lý nền móng đường rất cao. Việc xử lý tận dụng các nguồn vật liệu tại địa phương để xây dựng nền móng công trình nói chung và xây dựng nền móng đường ô tô nói riêng đã đặt cho các nhà khoa học. Yêu cầu cơ bản đặt ra là xử lý nền móng đảm bảo khả năng chịu tải để thay thế các loại vật liệu truyền thống, vừa đảm bảo tính ổn định lâu dài và đẩy mạnh phát triển hạ tầng giao thông của tỉnh góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội địa phương. Kết cấu áo đường thường dùng trong xây dựng kết cấu áo đường ở tại đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh Trà Vinh nói riêng từ thời gian trước đến hiện nay đó là: Lớp mặt: phổ biến nhất là các loại bê tông nhựa (đặc biệt là bê tông nhựa nóng), bê tông xi măng, các lớp láng nhựa, thấm nhập nhựa, đối với đường cấp thấp có sử dụng các loại cấp phối thiên nhiên, cấp phối đá dăm làm lớp mặt, gần đây loại vật liệu bê tông nhựa polime (sử dụng nhựa đường polime) cũng đã bắt đầu được sử dụng,… - Lớp móng trên: Thấm nhập nhựa, cấp phối đá dăm các loại I, loại II tùy theo cấp đường, cấp phối đá dăm gia cố xi măng, đất gia cố vôi hoặc xi măng, đá macadam, các loại đá kẹp đất dính (đối với đường cấp thấp),… - Lớp móng dưới: Cấp phối đá dăm (chủ yếu là loại II), cấp phối thiên nhiên (cấp phối sỏi đồi, cấp phối sỏi sạn, cấp phối sỏi cuội, cấp phối sỏi đỏ,…), đất gia cố xi măng, các loại đá dăm,… - Lớp nền đường: Cát đen (khai thác ở sông Cổ Chiên, sông Hậu Giang) + lớp vải địa kỹ thuật ngăn cách giữa nền cát và lớp CPĐD. 1.1.2. Cấp phối đất thiên nhiên [11] Vật liệu đắp nền đường không có quy chuẩn cấp phối đất thiên nhiên. Vật liệu đắp nền đường phổ biến là đất lẫn đá, ngoài ra còn đất đồi, đá lẫn đất. Đất là vật liệu chủ yếu để làm nền đường, có phổ biến ở các nơi. Thành phần của nó rất phức tạp, tính chất phụ thuộc vào tỉ lệ các thành phần hạt, thành phần vật liệu khoáng chất và trạng thái của đất (độ ẩm). Ngoài đất ra có khi còn gặp đá trong thi công nền đường. 5 TT H L va TT - Nền đắp đất lẫn đá: đất lẫn từ 30% đến dưới 70% đá các loại có kích cỡ từ 50mm cho đến kích cỡ lớn nhất cho phép quy định; + 100mm khi đắp trong phạm vi khu vực tác dụng của nền đường; + 150mm khi đắp phạm vi dưới khu vực tác dụng của nền đường; + Khi đắp trong phạm vi dưới khu vực tác dụng bằng loại đá cứng vừa và cứng (cường độ chịu nén trên 20 MPa) thì cỡ hạt lớn nhất còn có thể cho phép bằng 2/3 bề dày đầm nén lớp đất lẫn đá lúc thi công. Nếu là đầm nén hặc có nguồn gốc từ đá phong hóa mạnh (cường độ chịu nén từ 20 MPa trở xuống) thì kích cỡ lớn nhất có thể bằng bề dày đầm nén nhưng trị số sức chịu tải CBR của chúng vẫn phải đạt yêu cầu quy định. - Nền đắp đất: đất các loại có thể lẫn < 30% khối lượng đá, cuội sỏi có kích cỡ từ 19mm trở lên cho đến cỡ hạt lớn nhất là 50mm. Vật liệu đắp loại này có thể xác định được độ chặt tiêu chuẩn ở trong phòng thí nghiệm theo 22 TCN 333-06. - Nền đắp đá: Các loại đá với kích cỡ từ 37,5mm trở lên chiếm ≥ 70% khối lượng. 1.1.3. Cát đen (có hoặc không có gia cố chất liên kết vô cơ) [1] Là các loại cát có nguồn gốc từ cát tàn tích, cát sườn tích, cát bồi tích (cát sông), cát biển, cát gió (hình thành do tác dụng của gió) và cả các loại cát nghiền nhân tạo (sản phẩm của công nghệ gia công đá, sỏi cuộn). Cát đen (đất cát (đất rời)) được phân loại theo bảng 1.1 Bảng 1. 1 Phân loại cát đen Loại Hàm lượng hạt theo kích cỡ (% Khả năng sử dụng trong xây dựng trọng lượng) đường Xây dựng nền Gia cố bằng chất kế dính Cát sỏi Trọng lượng các hạt > 2mm Rất tốt Rất thích hợp để gia chiếm (25 ÷ 50)% cố xi măng nếu có cấp phối tốt Cát to Hạt > 0,5mm chiếm trên 50% Thích hợp Nt Cát vừa Hạt > 0,25mm chiếm trên 50% Thích hợp Nt Cát nhỏ Hạt > 0,1mm chiếm trên 75% Thích hợp nhưng Ít thích hợp so với kém ổn định hơn cát to cát vừa Cát bột Hạt > 0,05mm chiếm trên 75% Ít thích hợp NT 1.1.4. Phế phẩm công nghiệp [3] Phế phẩm công nghiệp được trình bày trong luận văn là loại xỉ thép. Xỉ thép là loại chất thải được sinh ra trong quá trình luyện thép từ các tạp chất khi đưa vào lò 6 TT H L va TT luyện như: Các chất lẫn trong nguyên, vật liệu (đất, cát…) của quặng sắt; nguyên vật liệu kim loại bị oxi hóa tạo thành các oxít khác nhau: CaO, MgO, MnO, FeO, Nio, SiO2, P2O5. Ngoài ra còn có các hợp chất như CaS, FeS, CaS2... Như vậy thành phần xỉ thép phụ thuộc vào nguyên liệu đầu vào, các chất được sử dụng trong quá trình luyện thép và công nghiệp thép. Việc tái chế xỉ thép được đánh giá là thực sự cần thiết để đáp ứng đồng thời mục tiêu kinh tế lẫn môi trường. Để tái chế ở quy mô lớn, xỉ thép có thể được sử dụng như chất độn xi măng hoặc cốt liệu san lắp nền hay cốt liệu bê tông nhựa đường. Cốt liệu xỉ thép làm san lắp nền giúp cải thiện cơ tính và tính bền nhờ phản ứng kết dính khi gặp nước, bùn. 1.1.5. Cấp phối đá dăm [10] Cấp phối đá dăm (CPĐD) là hỗn hợp vât liệu đá dạng hạt có thành phần hạt tuân thủ cấp phối liên tục, được quy định tại bảng 1.2. CPĐD được chia thành hai loại: CPĐD loại I - là cấm phối hạt mà tất cả các cở hạt được nghiền từ đá nguyên khai; CPĐD loại I được sử dụng làm lớp móng trên (và móng dưới, trên cơ sở xem xét yếu tố kinh tế, kỹ thuật) của kết cấu áo đường mềm có tầng mặt loại A1, A2 theo “Quy trình thiết kế áo đường mềm” 22 TCN 274-01. CPĐD loại II - là cấp phối hạt được nghiền từ đá nguyên khai hoặc sỏi cuội, trong đó cở hạt nhỏ hơn 2,36mm có thể là vật liệu hạt tự nhiên không nghiền nhưng khối lượng không vượt quá 50% khối lượng CPĐD. Khi CPĐD được nghiền từ sỏi cuội thì các hạt trên sàng 9,5mm ít nhất 75% số hạt có từ hai mặt vỡ trở lên; CPĐD loại II được sử dụng làm lớp móng dưới của kết cấu áo đường có tầng mặt loại A1 và làm lớp móng trên cho tầng mặt loại A2 hoặc B1 theo “Quy trình thiết kế áo đường mềm” 22 TCN 211-06 hoặc làm lớp móng theo tiêu chuẩn “Tiêu chuẩn thiết kế mặt đường mềm” 22 TCN 274-01. 1.2. Các yêu cầu về chỉ tiêu cơ lý đối với vật liệu đắp nền đường và làm tầng móng kết cấu áo đường 1.2.1. Yêu cầu đối với vật liệu đắp nền đường trên nền đất yếu - các thí nghiệm [12] 1. Không được sử dụng trực tiếp các loại đất dưới đây để đắp bất cứ bộ phận nào của nền đường: - Đất bùn, đất than bùn (nhóm A-8 theo AASHTO M145) - Đất mùn lẫn hữu cơ có thành phần hữu cơ quá 10%, đất có lẫn cỏ và rễ cây, lẫn rác thải sinh hoạt (AASHTO T267-86); - Đất lẫn các thành phần muối dễ hòa tan quá 5% (cách thí nghiệm xác định xem phụ lục D); - Đất sét có độ trương nở cao vượt quá 3,0% (thí nghiệm xác định độ trương nở theo 22 TCN 332-06); 7 - Đất sét nhóm A-7-6 (theo AASHTO M145) có chỉ số nhóm từ 20 trở lên; Khi không có các loại đất khác, phải có biện pháp cải tạo các loại đất nói trên để dùng làm vật liệu đắp nền đường như: loại bỏ các thành phần bất lợi, xử lý đất xấu bằng cách trộn thêm vôi, trộn thêm cát hoặc áp dụng các biện pháp tăng thêm độ chặt đầm nén, hạn chế nước thấm nhập... Các biện pháp nói trên phải được đánh giá thông qua thử nghiệm ở trong phòng, ở hiện trường và phải được phê duyệt theo các quy định về quản lý dự án. - Loại đất và sức chịu tải của vật liệu đắp nền đường phải thõa mãn các yêu cầu quy định, phải đạt độ chặt đầm nén theo bảng dưới đây. Bảng 1. 2 Quy định Độ chặt đầm nén yêu cầu đối với nền đường Độ chặt K của nền đường Phạm vi độ sâu tính từ đáy áo Đường đường trở cao tốc Loại và bộ phận nền đường Đường cấp I đến cấp V đến cấp IV cấp VI Khi áo đường dày trên 60cm 30 ≥ 1,0 ≥ 0,98 ≥ 0,95 đắp Khi áo đường dày dưới 60cm 50 ≥ 1,0 ≥ 0,98 ≥ 0,95 ≥ 0,98 ≥ 0,95 ≥ 0,93 ≥ 0,93 ≥ 0,90 ≥ 0,98 ≥ 0,95 ≥ 0,93 ≥ 0,95 Cho đến hết thân dưới nền đắp (trường hợp chiều vật liệu mới đắp) sâu nói Đất nền tự nhiên (*) H TT trên L Bên TT Nền va xuống (cm) Đường Cho đến 80 Cho đến 100 ≥ 0,95 Nền đào và không đào không đắp 30 ≥ 1,0 (nền thiên nhiên (**)) 30 đến 80 30 đến 100 ≥ 0,95 (*) Trường hợp này là trường hợp nền đắp thấp khu vực tác dụng có một phần nằm vào phạm vi đất nền thiên nhiên; (**) Nếu nền thiên nhiên không đạt độ chặt yêu cầu ở bảng 2 thì phải đào phạm vi không đạt rồi đầm nén lại cho đạt yêu cầu. 2. Không được dùng đất bụi nhóm A-4 và A-5 (theo phân loại ở AASHTO M145) để xây dựng các bộ phận nền đường dưới mức nước ngập hoặc mức nước ngầm và không nên dùng chúng trong phạm vi khu vực tác dụng của nền đường 3. Vật liệu đắp nền phải có sức chịu tải CBR nhỏ nhất như qui định tại Bảng 1.3 8 va TT Bảng 1. 3 Quy định về sức chịu tải (CBR) nhỏ nhất Sức chịu tải (CBR%) tối thiểu Nền cho đường Nền cho đường Nền cho Phạm vi nền đường tính từ cấp III, cấp IV các cấp khác đường cao đáy áo đường trở xuống có sử dụng mặt không sử dụng tốc, cấp I, đường cấp cao mặt đường cấp cấp II A1 cao 1 Nền đắp 30 cm trên cùng 8 6 5 Từ 30 cm đến 80 cm 5 4 3 Từ 80 cm đến 150 cm 4 3 3 Từ 150 cm trở xuống 3 2 2 Nền không đào không đắp và nền đào 30 cm trên cùng 8 6 5 Từ 30cm đến 100cm với đường cao tốc, đường cấp I, 5 4 3 cấp II, cấp III và đến 80 cm với đường các cấp khác TT H L 4. Kích cỡ hạt lớn nhất của các hạt sỏi cuội, đá lẫn trong đất áp dụng cho trường hợp đắp đất lẫn đá là 100mm khi đắp trong phạm vi khu vực tác dụng của nền đường và là 150mm khi đắp phạm vi dưới khu vực tác dụng. Khi đắp trong phạm vi dưới khu vực tác dụng bằng đá loại cứng vừa và cứng (cường độ chịu nén trên 20 MPa) thì cỡ hạt lớn nhất còn có thể cho phép bằng 2/3 bề dày đầm nén lớp đất lẫn đá lúc thi công. Nếu là đá loại mềm hoặc có nguồn gốc từ đá phong hóa mạnh (cường độ chịu nén từ 20 MPa trở xuống) thì kích cỡ hạt lớn nhất có thể bằng với bề dày đầm nén nhưng trị số sức chịu tải CBR của chúng vẫn phải đạt yêu cầu qui định tại bảng 1.3. 5. Vật liệu đắp bao Khi nền đường đắp bằng cát, nền đường phải được đắp bao cả hai bên mái ta luy và phần đỉnh nền phía trên như yêu cầu ở 7.4.4 TCVN 4054. Trong trường hợp này đất đắp bao hai bên ta luy cũng phải phù hợp với các yêu cầu tại 5.1, 5.2, 5.3 và 5.4 TCVN 4054. Nếu kết hợp, làm chức năng lớp đáy móng, vật liệu đắp bao phía đỉnh nền phải phù hợp với qui định tại 2.5.2 của 22 TCN 211-06 Nếu khó kiếm được đất đắp bao phù hợp phải đề xuất giải pháp thay thế khác để đáp ứng các yêu về quản lý dự án. 6. Phân loại đất đắp nền đường
Theo TCVN 5747-1993 9 Bảng 1. 4 Phân loại đất hạt thô Hơn 50% trọng lượng của đất là các hạt có kích thước 0,08 mm Kí hiệu Định nghĩa Đất sỏi sạn sạch GW Cu = Cc = GP Trọng lượng hạt có kích thước < 0,08mm nhiều hơn 12% GM GC D60 D10 ≻ 4 và ( D 30 ) 2 D10 .D 80 Tên gọi Đất sỏi, sạn giữa 1 và 3 Cấp phối tốt Một trong hai điều kiện Đất sỏi sạn, cấp của GW không thoả mãn phối kém Giới hạn Atterberg nằm Sỏi lẫn bụi. dưới đường A (xem biểu Hỗn hợp sỏi cát - bụi cấp đồ 3.1) hay I p ≺ 4 phối kém Giới hạn Atterberg nằm Sỏi lẫn sét. Hỗn trên đường A (xem biểu đồ hợp sỏi lẫn cát - sét, cấp phối 3.1) với I p ≻ 7 kém TT Hơn 50% trọng lượng Đất thành cuội phần hạt Đất sỏi thô có sỏi kích sạn có thước > lẫn 2mm hạt mịn Trọng lượng hạt có kích thước < 0,08mm ít hơn 5% Điều kiện nhận biết va Cu = Đất cát Cát có lẫn hạt mịn Trọng lượng hạt có kích thước < 0,08mm nhiều hơn 12% SM H Cát sạch TT Hơn 50% trọng lượng thành phần hạt thô có kích thước < 2mm Trọng lượng hạt có kích thước < 0,08mm ít hơn 5% L SW SP Cc = D 60 D10 Cát cấp phối tốt, cát lẫn sỏi ít hoặc không có giữa 1 và 3 hạt mịn ≻ 6 và ( D 30 ) 2 D10 .D 60 Cát cấp phối kém, cát lẫn sỏi Một trong hai điều kiện có ít hoặc của SW không thoả mãn không có hạt mịn Giới hạn Atterberg nằm Cát lẫn sét, hỗn dưới đường A (xem biểu hợp cát - sét đồ 3.1) hoặc I p ≺ 5 SC cấp phối kém. Giới hạn Atterberg nằm Cát lẫn sét, hỗn trên đường A (xem biểu đồ hợp cát - sét 3.1) hoặc I p ≻ 7 cấp phối kém.