Bê tông cát nhiều tro bay làm lớp móng mặt đường ô tô: giải pháp và môi trường

Chia sẻ: Danh Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

220
lượt xem 48
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết này trình bày về kết quả nghiên cứu các tính chất của bê tông cát sử dụng nhiều tro bay để làm lớp móng mặt đường xe chạy. Các kết quả nghiên cứu ban đầu đưa ra được lợi ích của bê tông cát sử dụng nhiều tro bay làm giảm lượng sử dụng xi măng đồng thời tăng độ bền cho bê tông làm lớp móng mặt đường, và cuối cùng là làm giảm giá thành đáng kể khi sử dụng loại bê tông này ở các vùng nhiều cát....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bê tông cát nhiều tro bay làm lớp móng mặt đường ô tô: giải pháp và môi trường

BÊ TÔNG CÁT NHIỀU TRO BAY LÀM LỚP MÓNG MẶT ĐƯỜNG ÔTÔ: GIẢI PHÁP KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG NCS. NGUYỄN THANH SANG ThS. TRẦN LÊ THẮNG KS. NGUYỄN QUANG NGỌC Bộ môn Vật liệu - Xây dựng Viện Khoa học & Công nghệ XDGT Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài viết này trình bày về kết quả nghiên cứu các tính chất của bê tông cát sử dụng nhiều tro bay để làm lớp móng mặt đường xe chạy. Các kết quả nghiên cứu ban đầu đưa ra được lợi ích của bê tông cát sử dụng nhiều tro bay làm giảm lượng sử dụng xi măng đồng thời tăng độ bền cho bê tông làm lớp móng mặt đường, và cuối cùng là làm giảm giá thành đáng kể khi sử dụng loại bê tông này ở các vùng nhiều cát. Summary: This paper presents an experimental research on several important properties of High volume fly ash Sand concrete for road base. The initial results show that the potential usage of High Volume Fly asnh Sand Concrete reduces cement content in sand concrete and increase durability of road base concrete, and finally reduces significal cost price when using this material in sand abundant regions. Key words: High Volume Fly ash Sand concrete, Fly ash, Cost price, Emission, Fine CT 2 sand. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Để phát triển bền vững công nghiệp xi măng và bê tông yêu cầu phải tận dụng chất thải công nghiệp và nông nghiệp. Vì hiện nay có nhiều lý do làm cho công nghiệp xây dựng bê tông không bền vững: Thứ nhất hiện nay, con người phải tiêu thụ một khối lượng vật liệu khổng lồ, và nó còn tiếp tục tăng lên trong tương lai; thứ hai, chất kết dính truyền thống trong bê tông vẫn là xi măng pooc lăng, việc sản xuất sản phẩm này là một trong các nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính, làm cho trái đất nóng lên và thay đổi khí hậu; thứ ba là các kết cấu bê tông phải đối mặt với sự kém bền có thể tạo ra một chất thải rắn rất lớn [5]. Hơn nữa, hàng năm trên thế giới sử dụng khoảng 10 tỷ tấn bê tông xi năng, riêng ngành công nghiệp xi măng đã thải ra 7% tổng lượng khí CO2 [6]. Bê tông cát sử dụng nhiều tro bay (HVFASC) được sử dụng cho các vùng khan hiếm đá dăm hay sỏi. Trong thành phần của HVFASC ngoài các nguyên liệu dùng cho chế tạo bê tông cát: xi măng pooc lăng, cát thô, cát mịn, bột đá vôi, nước còn phải thêm thành phần tro bay thay thế một phần xi măng. Bê tông cát nhiều tro bay trong nghiên cứu này áp dụng cho móng mặt đường thay cho lớp bê tông nghèo xi măng. Đặc biệt bê tông cát nhiều tro bay tiết kiệm được
năng lượng khi trộn đổ, đầm và hoàn thiện bê tông do sự “nhỏ hóa” đường kính cốt liệu và sử dụng cho các vùng nguồn cát dồi dào cũng như tận dụng được lượng cát hạt nhỏ (Mk
2.1.2. Xi măng Xi măng Nghi sơn PCB30 có khối lượng riêng là 3.1g/cm3, có tỷ diện tích bề mặt đạt: 2750 (cm2/g) và có thành phần hóa học và khoáng vật ghi trong bảng 2 và bảng 3. Bảng 2. Thành phần hóa học của xi măng Nghi Sơn PCB30 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO 3 Na2O K2O CaO tự do 22.19 5.42 3.30 61.16 1.2 1.9 0.12 0.30 0.193 Bảng 3. Thành phần khoáng vật của xi măng Nghi Sơn PCB30 C3S C2S C3A C4AF Phụ gia khoáng 51.74 24.2 8.16 10.35 6.8 Xi măng sử dụng trong nghiên cứu này tương đương với xi măng CEM I, hoặc ASTM C1157 loại I. 2.1.3.Bột đá vôi và tro bay Bột đá vôi sử dụng là bột đá vôi từ mỏ đá thuộc huyện Quảng Ninh. Hàm lượng các tạp chất có hại trong bột đá vôi đều thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật quy định bột mịn cho bê tông cát theo tiêu chuẩn NF P18-508. Bột đá vôi này có khối lượng thể tích là 1.3 g/cm3, khối lượng riêng là 2.72 g/cm3, độ mịn Blaine đạt 3210 cm2/g. Tro bay (FA) có độ hoạt tính theo thành phần hóa trình bày bảng sau, khối lượng thể tích là 1.118g/cm3, khối lượng riêng là 2.12 g/cm3. Bột đá vôi và tro bay có thành hóa học được ghi trong bảng 4. Bảng 4. Kết quả thử nghiệm thành phần hóa học của bột đá vôi và tro bay CT 2 Bột SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O MKN Bột đá vôi (%) 0.17 0.02 0.04 54.88 0.45 0.02 0.04 43.46 Tro bay (%) 58.38 25.12 7.01 0.84 0.70 0.30 3.28 5.29 2.1.4. Nước và phụ gia siêu dẻo Nước sử dụng cho bê tông cát nhiều tro bay là nước sạch, đạt tiêu chuẩn TCXDVN 302 - 2004. Phụ gia hóa dẻo trong nghiên cứu này dùng của Sika loại Visconcrete - V3000 - 10. 2.2. Thành phần các loại bê tông chế tạo và mẫu thí nghiệm Bê tông cát trong nghiên cứu được thiết kế với cường độ yêu cầu thực tế là 15MPa. Việc thiết kế thành phần bê tông được thực hiện theo phương pháp tính toán kết hợp với thực nghiệm. Trong đó phần tính toán sơ bộ được thực hiện theo nguyên lý chèn đầy thể tích của khung cốt liệu, phương pháp này đã được phân tích đánh giá tính thực tiễn và tính hiệu quả trong tài liệu [3], thiết kế cũng tham khảo tiêu chuẩn ACI 211.1-91 và tiêu chuẩn ACI 211.4-98 để lựa chọn tỷ lệ N/X. Bốn cấp phối bê tông cát được thiết kế: cấp phối bê tông cát không sử dụng tro bay (mẫu đối chứng - SC0), các cấp phối bê tông cát sử dụng với hàm lượng tro bay thay thế xi măng với lượng 30%, 40%, 50% ký hiệu lần lượt là HVFASC30, HVFASC40, HVFASC50. Thành phần của cấp phối bê tông trình bày trong bảng 5.
Bảng 5. Bảng thành phần các cấp phối bê tông cát nhiều tro bay Bê tông cát Bê tông cát Bê tông cát Bê tông cát Thành phần và các tính chất dùng 30% dùng 40% dùng 50% đối chứng tro bay tro bay tro bay Thành phần Xi măng loại PCB30, kg/m3 360 252 238 180 Tro bay, kg/m3 0 108 122 180 Cát hạt thô, kg/m3 1155 1155 1155 1155 3 Cát hạt mịn, kg/m 495 495 495 495 Bột đá vôi, kg/m3 125 125 125 125 Nước, lít 170 170 170 170 3 Phụ gia siêu dẻo, mL/m 3.6 3.6 3.6 3.6 Tỷ lệ N/CKD 0.47 0.47 0.47 0.47 Tính chất bê tông tươi Độ sụt, cm 2 3.5 5.5 4 Tính chất bê tông đông cứng Cường độ nén 28 ngày, MPa 18.3 14.4 14.6 11.4 Cường độ nén 56 ngày, MPa 25.3 20.3 21.5 17.6 Cường độ kéo bửa 28 ngày, MPa 1.56 1.49 1.64 1.18 Cường độ kéo bửa 56 ngày, MPa 1.92 1.87 2.15 1.45 CT 2 Mô đun đàn hồi 28 ngày, MPa 20,256 17,945 18,345 15,674 SC0 HVFASC30 HVFASC40 HVFASC50 Ký hiệu mẫu thí nghiệm Hỗn hợp bê tông cát nhiều tro bay được trộn theo đúng quy trình thiết kế để đảm độ sụt theo yêu cầu. Mỗi cấp phối bê tông cát được chế tạo 06 mẫu trụ (150x300mm) để xác định cường độ chịu nén và 06 mẫu trụ (150x300mm) để xác định cường độ kéo bửa ở các tuổi 28 và 56 ngày; 03 mẫu trụ (150x300mm) để xác định mô đun đàn hồi ở 28 ngày. Các mẫu được để trong khuôn thép dưới nhiệt độ không khí 27±2oC sau 24 giờ tiến hành tháo khuôn và ngâm vào bể nước với nhiệt độ chuẩn trên cho đến ngày thí nghiệm. 2.3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận 2.3.1. Tính công tác của HVFASC Vì bê tông cát có nhiều hạt nhỏ (cát nhỏ và chất độn mịn) nên lượng cần dùng nước lớn hơn so với bê tông thường. Khi dùng phụ gia hóa dẻo loại này Visconcrete -V3000-10 cho loại xi măng Nghi Sơn PCB30 thì khả năng giảm độ sụt theo thời gian là nhỏ. Đối bê tông cát có sử dụng nhiều tro bay, tỷ diện tích bề mặt của các loại hạt nhỏ tăng lên sẽ làm ảnh hưởng đến độ dẻo của hỗn hợp bê tông, tuy nhiên tro bay là các hạt tròn cạnh và trơn cho nên cải thiện được khả năng dễ đổ của bê tông khi tăng hàm lượng tro bay đến một mức phù hợp. Kết quả đo độ sụt của các hỗn hợp bê tông cát ở hình 2.
Theo kết quả chỉ ra rằng khi không sử dụng phụ gia tro bay trong thành phần của bê tông độ sụt cao hơn so với khi không sử dụng tro bay. Độ sụt thay đổi khi sử dụng hàm lượng tro bay khác nhau. Với tỷ lệ tro bay thay thế là 40% cho độ sụt cao hơn so với các tỷ lệ thay thế khác. Với độ sụt của hỗn hợp HVFASC từ 2÷6 cm phù hợp dùng để đổ móng mặt đường ôtô, hơn nữa có thể chế tạo hỗn hợp bê tông khô dùng cho đầm chặt bằng lu sẽ tiết kiệm kinh phí hơn và giảm thời gian chờ thi công các lớp mặt đường. B iều đồ mối quan hệ độ sụt và tỷ lệ FA 6 Độ sụt của bê tông cát, cm 5 4 3 2 1 0 SC0 HVFASC30 HVFASC40 HVFASC50 Loại bê tông cát Hình 2. Ảnh hưởng của liều lượng tro bay đến độ sụt bê tông cát nhiều tro bay 2.3.2. Cường độ chịu nén Cường độ chịu nén của HVFASC với các hàm lượng tro bay khác nhau cho các kết quả trình bày ở bảng 5 và hình 2. CT 2 Biều đồ mối quan hệ cường độ nén và tỷ lệ FA 30.0 Cường độ chịu nén, MPa 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 SC0 HVFASC30 HVFASC40 HVFASC50 Loại bê tông cát 28 Ngày 56 Ngày Hình 3. Ảnh hưởng của liều lượng tro bay đến cường độ chịu nén của HVFASC Tỷ lệ cường độ nén và cường độ kéo bửa đạt từ 8.8÷11.8, tỷ lệ này đối với bê tông truyền thống là 10.5÷15.2 [7], như vậy mức độ tăng cường độ ép chẻ của bê tông cát cao hơn so với bê tông truyền thống, hay nói cách khác cường độ ép chẻ của bê tông cát cao hơn so với bê tông thường cùng mức cường độ chịu nén. Điều này lại lần nữa khẳng định lại nghiên cứu [4] về các tính chất cơ học của bê tông cát thường. Căn cứ kết quả thí nghiệm cường độ nén của bê tông cát nhiều tro bay theo thành phần trên đây, khi thay thế tro bay vào thành phần bê tông cát cường độ bê tông cát giảm đáng kể và với tỷ lệ thay thế tro bay 40% xi măng bằng tro bay cường độ ở 56 ngày tuổi cao hơn so với các tỷ lệ thay thế khác.
Khi sử dụng liều lượng tro bay thay thế xi măng với các mức 30% , 40%, 50% thì cường độ nén giảm so với cường độ nén mẫu bê tông cát không sử dụng phụ gia tro bay lần lượt là 80%, 84%, 70%. Cường độ nén của HVFASC ở tuổi 56 ngày so với tuổi 28 ngày với các mức tro thay thế 30% , 40%, 50% tăng lên lần lượt là 41%, 48%, 54%. Qua kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ của mẫu nhiều tro bay phát triển muộn và cần có các nghiên cứu về tuổi muộn hơn. Quan sát bề mặt phá hủy của các mẫu chịu nén và kéo bửa, có thể thấy mặt cắt phá hoại đều đi qua cốt liệu-cát. Với kết quả này, một lần nữa khẳng định vai trò cải thiện cấu trúc bê tông của phụ gia khoáng hoạt tính tro bay, đặc biệt ở vùng chuyển tiếp giữa đá xi măng và cốt liệu bằng các hiệu ứng hóa học (phản ứng puzzolanic tạo khoáng CSH) và hiệu ứng vật lý chèn đầy (hạt mịn tro bay chèn đầy các lỗ rỗng trong cấu trúc đá xi măng).Và có thể thấy càng về sau thi mức độ thay đổi cường độ, hay nói cách khác hiệu quả ảnh hưởng của tro bay càng rõ nét. Nguyên nhân vấn đề này đó là do hoạt tính của tro bay thấp hơn so với xi măng nên phản ứng tro bay với nước xảy ra chậm hơn so với phản ứng thủy hóa xi măng với nước. 2.3.3. Cường độ kéo bửa Cường độ kéo bửa là một chỉ tiêu gián tiếp để xác định sức kháng kéo của vật liệu liền khối khi sử dụng làm các lớp kết cấu mặt đường. Hơn nữa là một chỉ tiêu thông dụng cho công tác kiểm tra đánh giá. Cường độ kéo bửa trong các tiêu chuẩn mặt đường của Pháp còn là chỉ tiêu quan trọng để tính sức kháng mỏi của bê tông mặt đường [8] và thí nghiệm thuộc tính mỏi của mặt đường thông qua thí nghiệm mỏi qua ép chẻ đã trình bày [9]. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo bửa đã được trình bày trong bảng 5 trên đây và hình 3 sau đây: CT 2 Biề u đồ mối quan hệ cường độ é p chẻ v à tỷ lệ FA 2.5 Cường độ ép ch ẻ, MPa 2 1.5 1 0.5 0 SC0 HVFASC30 HVFASC40 HVFASC50 Lo ại bê tông cát 28 Ngày 56 Ngày Hình 3. Ảnh hưởng của liều lượng tro bay đến cường độ chịu kéo bửa của HVFASC Quan sát trên biểu đồ hình 3, kết quả thí nghiệm từ bảng cho thấy rằng cường độ kéo khi bửa của bê tông cát sử dụng nhiều tro bay thay đổi so với bê tông cát không sử dụng tro bay với tỷ lệ lần lượt là 0.97, 1.12, 0.76. Qua đó cho thấy mẫu thí nghiệm với tỷ lệ 40% tro bay cao hơn với các tỷ lệ còn lại, như vậy có một tỷ lệ tro bay thích hợp sẽ cải thiện được cường độ kéo bửa của bê tông cát. 2.3.4. Mô đun đàn hồi Mô đun đàn hồi của HVFASC với các hàm lượng tro bay khác nhau cho các kết quả trình
bày ở bảng 5 và hình 4. Cũng như cường độ chịu nén khi thay thế các liều lượng tro bay trong bê tông cát thì mô đun đàn hồi giảm. Tuy nhiên với các giá trị mô đun đàn hồi theo kết quả thí nghiệm đều cao hơn so với mô đun đàn hồi quy định cho lớp bê tông nghèo sử dụng làm móng cho mặt đường ôtô. Điều này cho phép giảm dần độ cứng của mặt đường bê tông xi măng khi làm hai lớp bê tông xi măng. Biề u đồ mối quan hệ mô đun đàn hồi và tỷ lệ FA 25,000 Mô đun Young, MPa 20,000 15,000 10,000 5,000 - SC0 HVFASC30 HVFASC40 HVFASC50 Loại bê tông cát Hình 4. Ảnh hưởng của liều lượng tro bay đến mô đun đàn hồi của HVFASC 2.4. Phân tích giá thành vật liệu với các kết cấu áo đường khác nhau Qua tính toán với các giả định về tải trọng thiết kế, cho mặt đường bê tông xi măng với chiều dày tấm bê tông là 24cm. Tính toán xác định được chiều dày của 03 loại móng mặt CT 2 đường: 15cm bê tông cát nhiều tro bay, 18cm cấp phối đá dăm loại 1 gia cố 8% xi măng, 25cm cấp phối đá dăm loại 1. 1 1 1 2a 2b 2c Hình 4. Các lớp móng kết cấu áo đường; 1: Tấm bê tông xi măng dày 24cm 2a: 15 cm HVFASC; 2b: 18 cm CPDD loại1 gia cố 8% xi măng; 2c: 25 cm CPDD loại1 Với các kết cấu trên đây và thông báo giá mới nhất được tính ở Thành phố Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình giá thành vật liệu lớp móng được tính cho 1km đường, riêng giá thành vật liệu lần lượt là: 490 triệu, 570 triệu và 500 triệu cho loại móng 2a, 2b, 2c. Như vậy kết quả cho thấy móng mặt đường dùng vật liệu HVFASC có giá thành vật liệu thấp hơn cả. Hơn nữa để thi công lớp CPDD loại 1 dày 25 cm thì công đầm nén là rất lớn, thi công 18 cm CPDD loại 1 gia cố xi măng cũng tương tự, còn thi công mặt đường móng dùng HVFASC cho phép thi công bằng đầm chặt bằng lu và công đầm sẽ giảm. Qua kết quả tính toán thử nghiệm cho một vùng giàu cát như trên cho thấy nếu sử dụng loại bê tông này thì có thể mang lại hiệu quả kinh tế lớn.
III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Dựa vào kết quả thực nghiệm và phân tích trên, nghiên cứu ban đầu đưa ra một số kết luận: Với thành phần của bê tông cát sử dụng nhiều tro bay thay thế lần lượt với tỷ lệ tro bay là 30%, 40%, 50%, kết quả thực nghiệm ban đầu chỉ ra với thành phần thực nghiệm trên cho sản phẩm HVFASC có những tính chất cơ học đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của lớp bê tông móng mặt đường. Mặt khác khi sử dụng tro bay thay thế xi măng giúp cho việc giảm khí thải CO2 từ việc sản xuất xi măng - là khí thải chính gây hiệu ứng nhà kính và tận dụng được phế thải của nhà máy nhiệt điện. Việc sử dụng phụ gia tro bay thay thế một phần cho cho xi măng và sử dụng cát mịn (Mk