(Luận Văn Thạc Sĩ) Nghiên Cứu Chế Tạo Bê Tông Đầm Lăn Sử Dụng Vật Liệu Địa Phương Làm Đường Phục Vụ

LỜI CẢM ƠN

Luận văn “Nghiên cứu chế tạo bê tông đầm lăn sử dụng vật liệu địa

phương làm đường phục vụ công tác thi công” được hoàn thành tại Trường Đại

học Thủy Lợi. và Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.

Tác giả xin bày tỏ làm cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Hữu Hanh –

Khoa Vật liệu xây dựng Trường Đại học Xây dựng Hà Nội và TS.Vũ Quốc Vương

– Bộ môn Vật liệu xây dựng Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội đã hướng dẫn tác giả

tỷ mỉ và nhiệt tình .

Xin trân trọng cảm ơn các Kỹ thuật, Thí nghiệm viên thuộc Phòng thí

nghiệm - Đại học Thủy lợi Hà Nội, Đại học Xây dựng Hà Nội và phòng thí nghiệm

Viện Thủy Công đã giúp đỡ tác giả trong quá trình làm công tác thí nghiệm.

. Xin chân thành cảm ơn các giảng viên Khoa Công trình – Trường Đại học

Thủy Lợi, đã góp ý cho tác giả hoàn thiện luận văn này.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Nhà xuất bản, các tổ chức, cá nhân cho

phép sử dụng tài liệu đã công bố.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã tạo mọi

điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này.

Trong nội dung của luận văn không thể tránh khỏi những thiết sót. Tác giả

rất mong nhận được những nhận xét và đóng góp của các nhà chuyên môn.

.

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Tác giả

Nguyễn Thị Kim Oanh

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Thị Kim Oanh. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên

cứu của riêng tôi. Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực

và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào.

Tác giả

Nguyễn Thị Kim Oanh

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ BÊ TÔNG ĐẦM LĂN...................................... 5

1.1. Đặc điểm của bê tông đầm lăn .............................................................................. 5

1.2. Lịch sử ra đời của bê tông đầm lăn và các ứng dụng công nghệ bê tông đầm

lăn ở một số nước trên thế giới. .......................................................................................... 5

1.3. Các hướng phát triển BTĐL trên thế giới. ........................................................ 11

1.4. Nhu cầu phát triển và tình hình nghiên cứu công nghệ BTĐL trong nước. .. 12

1.5. Các quan điểm và phương pháp thiết kế thành phần BTĐL .......................... 14

1.5.1.Theo quan điểm địa kỹ thuật: ..................................................................................... 15

1.5.2.Theo quan điểm bê tông: ............................................................................................ 16

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. 19

2.1. Nguyên vật lệu sử dụng ....................................................................................... 19

2.1.1.Xi măng: ..................................................................................................................... 19

2.1.2.Cốt liệu: ...................................................................................................................... 22

2.1.3.Phụ gia khoáng ........................................................................................................... 28

2.1.4.Phụ gia hoá học: ......................................................................................................... 31

2.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 32

2.2.1.Phương pháp lèn chặt khi đúc mẫu BTĐL trong phòng thí nghiệm .......................... 32

2.2.2.Phương pháp xác định tính công tác của hỗn hợp BTĐL .......................................... 33

2.2.3.Hệ số lèn chặt tương đối ............................................................................................. 34

2.2.4.Phương pháp xác định hệ số chống trơn trượt cho mặt đường .................................. 34

2.2.5.Phương pháp xác định thời gian đông kết hỗn hợp BTĐL ........................................ 35

2.3. Nghiên cứu lựa chọn thành phần bê tông đầm lăn ........................................... 36

2.3.1.Thiết kế thành phần hạt: ............................................................................................. 36

2.4. Thiết kế cấp phối bê tông đầm lăn dựa trên nguyên vật liệu đã thí nghiệm .. 51

2.4.1.Thiết kế sơ bộ cấp phối bê tông đầm lăn theo phương pháp ACI 211-3R-02 ............ 51

2.4.2.Thiết kế tối ưu cấp phối bê tông đầm lăn ................................................................... 53

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG ĐẦM LĂN ỨNG

DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐƯỜNG THI CÔNG CỦA THỦY ĐIỆN BẮC NÀ –

BẮC HÀ – LÀO CAI. ............................................................................................. 69

3.1. Giới thiệu về Công trình Thủy Điện Bắc Nà – Bắc Hà – Lào Cai. .................. 69

3.2. Tính công tác của hỗn hợp BTĐL ...................................................................... 71

3.3. Tổn thất tính công tác của hỗn hợp BTĐL. ...................................................... 72

3.4. Thời gian đông kết ............................................................................................... 73

3.5. Tính chất cơ học của BTĐL ................................................................................ 74

3.5.1.Cường độ nén BTĐL .................................................................................................. 74

3.5.2.Mô đun đàn hồi của BTĐL ......................................................................................... 74

3.5.3.Khả năng chống mài mòn .......................................................................................... 75

3.6. Tính chất vật lý của BTĐL ................................................................................. 82

3.6.1.Hệ số lèn chặt tương đối của BTĐL cấp phối tối ưu .................................................. 82

3.6.2.Khối lượng thể tích của BTĐL ................................................................................... 83

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ THI

CÔNG BẰNG THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH HIỆN TRƯỜNG. ........................... 84

4.1. Công nghệ chế tạo và thi công bê tông đầm lăn làm đường phục vụ công tác

thi công. ............................................................................................................................... 84

4.2. Một số kết quả đạt được khi ứng dụng nghiên cứu công nghệ bê tông đầm lăn

làm đường phục vụ công tác thi công của Công trình Thủy Điện Bắc Nà – Bắc Hà –

Lào Cai. ............................................................................................................................... 84

4.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật ................................................................. 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 89

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh hai quan điểm thiết kế khác nhau ...................................................... 15

Bảng 2.1: Các tính chất cơ lý của xi măng PC40 Kim Đỉnh........................................... 21

Bảng 2.2: Cấp phối hạt tối ưu của cốt liệu thô [6] ......................................................... 24

Bảng 2.3: Thành phần hạt cốt liệu đối với BTĐL làm đường- ACI 325.10R ................ 24

Bảng 2.4: Các chỉ tiêu của cát đen Sông Hồng ............................................................... 25

Bảng 2.5: Thành phần hạt của cát đen Sông Hồng ......................................................... 26

Bảng 2.6: Các chỉ tiêu của đá dăm .................................................................................. 27

Bảng 2.7: Thành phần hạt của hỗn hợp cốt liệu theo ASTM C136 ................................ 27

Bảng 2.8: Thành phần hoá học của tro tuyển Phả Lại .................................................... 29

Bảng 2.9: Các tính chất cơ lý của tro tuyển Phả Lại ....................................................... 29

Bảng 2.10: Tính chất tro tuyển Phả Lại ( Bảng thành phần hạt chuẩn) ............................ 29

Bảng 2.11: Kết quả phân tích và phối hợp thành phần hạt cốt liệu .................................. 38

Bảng 2.12: Kết quả thí nghiệm loại cỡ hạt >4.75mm ....................................................... 39

Bảng 2.13: Kết quả thí nghiệm loại cỡ hạt <4.75mm ....................................................... 39

Bảng 2.14: Hàm lượng nước, hàm lượng cốt liệu, hàm lượng vữa theo Dmax cốt liệu .......... 44

Bảng 2.15: Tỷ lệ dùng cốt liệu thô theo thể tích ứng với Dmax cốt liệu .......................... 47

Bảng 2.16: Hệ số chất lượng cốt liệu ................................................................................ 49

Bảng 2.17: Lượng dùng nước theo cốt liệu ....................................................................... 50

Bảng 2.18: Kết quả thí nghiệm khảo sát ........................................................................... 52

Bảng 2.19: Các kết quả thí nghiệm thăm dò ..................................................................... 53

Bảng 2.20: Các mức thí nghiệm quy hoạch bậc 2 ............................................................. 54

Bảng 2.21: Kế hoạch thí nghiệm ....................................................................................... 54

Bảng 2.22: Thành phần cấp phối quy hoạch thực nghiệm ................................................ 54

Bảng 2.23: Kết quả thí nghiệm ......................................................................................... 55

Bảng 2.24: Cấp phối tối ưu tính toán ................................................................................ 68

Bảng 3.1: Cấp phối BTĐL thí nghiệm sự thay đổi tính công tác theo thời gian ............ 72

Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm độ kháng xuyên của vữa BTĐL ...................................... 73

Bảng 3.3: Bảng cấp phối và kết quả thí nghiệm nén mẫu ............................................... 74

Bảng 3.4: kết quả đo mô đun đàn hồi ............................................................................. 75

Bảng 3.5: Kết quả đo độ mài mòn .................................................................................. 82

Bảng 4.1: Bảng cấp phối thí nghiệm và kết quả đạt được .............................................. 85

Bảng 4.2: Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cường độ bê tông mẫu khoan .................. 85

Bảng 4.3: Bảng kết quả thí nghiệm mài mòn khô ........................................................... 87

Bảng 4.4: Bảng đơn giá cho 1m3

bê tông làm đường tạm thi công sử dụng công nghệ bê

tông thông thường, (Mác bê tông M200) ............................................................................. 87

Bảng 4.5: Bảng đơn giá cho 1m3 bê tông làm đường tạm thi công sử dụng công nghệ bê

tông dầm lăn, (Mác bê tông M200) ..................................................................................... 88

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Đồ thị cấp phối hạt cốt liệu cho BTĐL ................................................... 25

Hình 2.2: Biểu đồ thành phần hạt của cát đen Sông Hồng, áp vào biểu đồ yêu cầu

thành phần hạt của BTĐL làm đường theo ACI 325-10R. ....................................... 26

Hình 2.3: Biểu đồ thành phần hạt của đá, áp vào biểu đồ yêu cầu thành phần hạt

của BTĐL làm đường theo ACI 325-10R ................................................................. 28

Hình 2.4: Quan hệ giữa cường độ CKD và tỷ lệ dùng PGK ................................... 30

Hình 2.5: Biểu đồ thành phần hạt hỗn hợp cốt liệu, áp vào biểu đồ yêu cầu thành

phần hạt của BTĐL làm đường theo ACI 325-10R .................................................. 39

Hình 2.6: Sơ đồ thiết kế thành phần bê tông theo phương pháp RCD – Nhật Bản . 47

Hình 2.7: Đường cong quan hệ tỷ lệ N/CKD – tỷ lệ thay thế xi măng pugiơlan và

cường độ ................................................................................................................. 47

Hình 2.8: Lượng dùng nước theo cốt liệu ................................................................ 50

Hình 2.9: Giao diện chính của phần mềm Design-Expert® 7.1 .............................. 56

Hình 2.10: Nội dung kế hoạch bậc 2 tâm xoay .......................................................... 57

Hình 2.11: Điền thông tin hàm mục tiêu ................................................................... 58

Hình 2.12: Điền giá trị hàm mục tiêu ........................................................................ 58

Hình 2.13: Bề mặt biểu thị tính công tác của hỗn hợp RCC ..................................... 59

Hình 2.14: Tính tương hợp của mô hình thí nghiệm cường độ nén tuổi 7 ngày ....... 62

Hình 2.15: Bề mặt biểu thị cường độ nén 7 ngày của RCC ...................................... 62

Hình 2.16: Tính tương hợp của mô hình đến cường độ nén ở tuổi 28 ngày.............. 64

Hình 2.17: Bề mặt biểu thị cường độ nén 28 ngày của RCC .................................... 65

Hình 2.18: Đồ thị ảnh hưởng của C/CL đến R28 khi cố định N/CKD = 0.52 .......... 65

Hình 2.19: Đồ thị ảnh hưởng của N/CKD đến R28 khi cố định C/CL= 0.36 ........... 66

Hình 2.20: Biểu đồ biểu thị giá trí tối ưu về cường độ tuổi 28 ngày ......................... 67

Hình 3.1: Thí nghiệm tính công tác ......................................................................... 72

Hình 3.2: Hình ảnh thí nghiệm mô đun đàn hồi ...................................................... 75

Hình 3.3: Thiết bị thí nghiệm mài mòn ................................................................... 81

Hình 3.4: Lắp mẫu trên máy chuẩn bị thí nghiệm ... Error! Bookmark not defined.

Hình 3.5: Mẫu thử trước khi thử .............................. Error! Bookmark not defined.

Hình 3.6: Mẫu thử sau khi thử ................................. Error! Bookmark not defined.

Hình 4.1: Mẫu khoan dùng để cắt mẫu 70,7x70,7x70,7 mm .................................. 86

Hình 4.2: Mẫu trước khi thí nghiệm mài mòn ......... Error! Bookmark not defined.

Hình 4.3: Quá trình mài mòn khô ............................ Error! Bookmark not defined.

Hình 4.4: Mẫu sau khi bị mài mòn .......................... Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BT : Bê tông

BTĐL : Bê tông đầm lăn

HH BTĐL : Hỗn hợp bê tông đầm lăn

C/CL : Cát / Cốt liệu

CKD : Chất kết dính

ĐKT : Địa kỹ thuật

KLTT : Khối lượng thể tích

N : Nước

XM : Xi măng

N/XM : Nước/xi măng

N/CKD : Nước/ chất kết dính

TPBT : Thành phần bê tông

TTPL : Tro tuyển Phả Lại

C/CKD : Cát/ chất kết dính

CL/CKD : Cốt liệu/chất kết dính

1

MỞ ĐẦU

Bê tông dễ tạo hình, có khả năng chịu lực tốt, tuổi thọ cao, lại tận dụng được

nguồn vật liệu địa phương nên cho tới nay trong lĩnh vực xây dựng công trình chưa

có loại vật liệu nào có ưu thế bằng nó. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng để khai

thác tốt các ưu điểm và hặn chế những nhược điểm của loại vật liệu này, nhiều công

nghệ thi công bê tông có hiệu quả đã ra đời. Một trong số đó là công nghệ thi công

bê tông đầm lăn (Roller Compacted concrete) Bê tông đầm lăn là loại vật liệu gồm

cốt liệu, chất kết dính và nước, nó thường là hỗn hợp bê tông cứng có đột sụt bằng

0. Để ứng dụng cho mặt đường, bê tông này cũng được rải và làm đặc bằng lu..

Những lợi ích cơ bản của bê tông đầm lăn trong xây dựng đường, là:

- Giá thành xây dựng sẽ thấp hơn do sử dụng ít nhân công trong quá trình

đổ bê tông (không yêu cầu cốt pha và hoàn thiện).

- Với tỷ lệ N/X thấp dẫn đến không tách nước, giảm co ngót hơn so với bê

tông truyền thống.

- Tốc độ thi công nhanh

- Giảm số lượng khe giản nở

Công nghệ bê tông đầm lăn bắt đầu được áp dụng từ những năm 60 ở một số

nước như Canada, Italia, Đài loan và sau đó đã được lần lượt áp dụng ở nhiều nước

khác nhờ các đặc tính ưu việt như tốc độ thi công nhanh, giá thành thấp.

Bê tông đầm lăn được sử dụng phổ biến trong xây dựng ở 2 lĩnh vực: làm

đập trọng lưc trong xây dựng thủy công hay trong xây dựng mặt đường, sân bãi.

Bê tông đầm lăn được sử dụng làm đường khoảng 80 năm nay, đầu tiên được

ứng dụng làm mặt đường ở Thụy Điển vào đầu năm 1930, sau đó quân đội Mỹ xây

dựng đường băng ở Yakima, Washington năm 1942. Những năm 1970, ở Canada

xây dựng đường và bãi đỗ. Đầu những năm 1980, đoàn kỹ sư quân đội nghiên cứu

để làm các đường mục đích quân sự. Từ những năm 1980, cho đến nay mặt đường

bê tông đầm lăn dùng nhiều ở các nước trên thế giới. Ở Việt Nam hiện nay, bê tông

đầm lăn chủ yếu dùng trong xây dựng đập trọng lực cho thủy điện, điển hình đập

thủy điện Sơn La sử dụng gần 3 triệu m3 bê tông đầm lăn, tuy nhiên để sử dụng

2

trong xây dựng đường đang còn hạn chế. Theo quyết định 1488/QĐ-TTg về 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 khủng hoảng thừa về xi măng trong nước, theo qui

hoạch phát triển ngành điện từ năm 2006 đến 2015 dự kiến sẽ đưa vào sử dụng

nhiều nhà máy nhiệt điện chạy bằng than dự kiến công suất 35.090 MW, như vậy

một nguồn thải phẩm tro bay từ các nhà máy nhiệt điện dự tính đến năm 2015 sẽ là

27,34 triệu tấn. Quy hoạch phát triển GTVT đường bộ Việt Nam đến năm 2020 và

định hướng đến 2030 cần xây dựng 1,600km đường cao tốc, nâng cấp QL1, đường

Hồ Chí Minh cần kinh phí cũng như khối lượng vật liệu rất lớn. Các dạng kết cấu

mặt đường dạng mới cần được đưa vào sử dụng để làm phong phú thêm sự lựa chọn

cho các nhà thầu. Có thể nói rằng kết cấu mặt đường bê tông đầm lăn xét về phương

diện vật liệu hay công nghệ thi công là một giải pháp vật liệu bền vững trong xây

dựng cở sở hạ tầng giao thông vì một số lý do sau: Nhằm phát huy nội lực, tận dụng

những nguyên liệu trong nước không phải nhập ngoại, nâng cao hiệu quả đầu tư xây

dựng với mục đích tiết kiệm, thời gian xây dựng sẽ rút ngắn do sớm thông xe hơn

so với bê tông xi măng truyền thống; thi công trên diện rộng sẽ kinh tế hơn, nhà

thầu có thể sử dụng các thiết bị thi công mặt đường asphalt sẵn có.

Mặt đường bê tông xi măng ngày nay đã và đang được sử dụng ở nhiều quốc

gia trên thế giới. Nó không chỉ thích hợp với các sân bãi, sân bay, đập, thủy điện…

mà còn có thể cạnh tranh với các loại mặt đường khác trong đó có đường phục vụ

công tác thi công.

1. Tính cấp thiết của đề tài

Đường giao thông dùng để thi công xây dựng công trình bao gồm hai loại sau:

+ Đường ngoài công trường: tuyến đường nối từ đường giao thông chính ở

khu vực (đường sắt, đường bộ, đường thủy) vào tới vị trí xây dựng công trình.

+ Đường nội bộ công trường: tuyến đường nằm trong phạm vi tổng mặt bằng

thi công công trình.