Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu sử dụng cát đỏ Bình Thuận và tro bay nhiệt điện Vĩnh Tân làm móng và mặt đường giao thông nông thôn khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:177

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án trình bày tổng quan đường giao thông nông thôn khu vực duyên hải Nam Trung Bộ; Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành cường độ của vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ và bê tông hạt nhỏ; Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng vật liệu địa phương làm móng và mặt đường giao thông nông thôn; Nghiên cứu đề xuất các dạng kết cấu làm móng và mặt đường giao thông nông thôn khu vực Nam Trung Bộ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu sử dụng cát đỏ Bình Thuận và tro bay nhiệt điện Vĩnh Tân làm móng và mặt đường giao thông nông thôn khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VŨ HOÀNG GIANG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT ĐỎ BÌNH THUẬN VÀ TRO BAY NHIỆT ĐIỆN VĨNH TÂN LÀM MÓNG VÀ MẶT ĐƢỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN KHU VỰC DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VŨ HOÀNG GIANG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT ĐỎ BÌNH THUẬN VÀ TRO BAY NHIỆT ĐIỆN VĨNH TÂN LÀM MÓNG VÀ MẶT ĐƢỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN KHU VỰC DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9.58.02.05 Chuyên ngành : Xây dựng đƣờng ô tô và đƣờng thành phố LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. GS. TS. Bùi Xuân Cậy 2. PGS. TS. Nguyễn Thanh Sang HÀ NỘI - 2021
i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Hà Nội, tháng 01 năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu và kết luận trong trong Luận án là trung thực. Trong luận án có sử dụng một số tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo quy định. Tác giả Luận án Vũ Hoàng Giang
ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu và học tập tại trƣờng đại học Giao thông vận tải, Nghiên cứu sinh (NCS) đã hoàn thành luận án “Nghiên cứu sử dụng cát đỏ Bình Thuận và tro bay nhiệt điện Vĩnh Tân làm móng và mặt đƣờng giao thông nông thôn khu vực duyên hải Nam Trung Bộ”. Để hoàn thành đƣợc luận án này, NCS xin trân trọng cảm ơn sâu sắc đến hai thầy giáo trực tiếp hƣớng dẫn là GS.TS Bùi Xuân Cậy, PGS.TS Nguyễn Thanh Sang đã tận tình giúp đỡ, định hƣớng nghiên cứu và truyền đạt kiến thức cũng nhƣ cung cấp các tài liệu quí, hỗ trợ trực tiếp thực nghiệm trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thiện Luận án. NCS xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến các thầy, cô trong khoa công trình, bộ môn Đƣờng bộ, phòng thí nghiệm bộ môn vật liệu xây dựng, phòng thí nghiệm trƣờng đại học giao thông vận tải đã tạo điều kiện cho NCS đƣợc nghiên cứu, học tập, thực nghiệm trong suốt quá trình thực hiện Luận án. NCS xin gửi làm cảm ơn trân trọng đến Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, các thầy cô trong bộ môn Đƣờng bộ đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình hƣớng dẫn nghiên cứu, thực hiện các thủ tục bảo vệ các chuyên đề, hội thảo bảo vệ các cấp của Luận án. NCS chân thành cảm ơn các bạn học cùng khoá, các nhóm sinh viên nghiên cứu khoa học đã nhiệt tình chia sẻ kinh nghiệm và những kiến thức quý báu, hỗ trợ giúp tôi tiến hành các thực nghiệm, hoàn thành luận án này. Hà Nội, 01/2021
iii A. MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH..................................................................................... viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................... x MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1 1. Tính cần thiết của Luận án ................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................... 2 3. Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu ...................................................................... 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................... 3 5. Cấu trúc của Luận án ......................................................................................... 4 CHƢƠNG 1 ............................................................................................................... 5 TỔNG QUAN ĐƢỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN KHU VỰC DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ .................................................................................................... 5 1.1. Tổng quan đƣờng giao thông nông thôn ........................................................ 5 1.1.1. Khái niệm đƣờng giao thông nông thôn...................................................... 5 1.1.2. Một số yêu cầu kĩ thuật đối với đƣờng giao thông nông thôn .................... 6 1.1.3. Nguyên tắc thiết kế và xây dựng đƣờng giao thông nông thôn .................. 8 1.1.4. Các dạng kết cấu móng, mặt đƣờng giao thông nông thôn....................... 10 1.2. Thực trạng GTNT cả nƣớc và khu vực Nam Trung Bộ ............................... 14 1.2.1. Đặc điểm vùng nam trung Bộ ................................................................... 14 1.2.2. Giao thông nông thôn trong khu vực ........................................................ 15 1.3. Tình hình sử dụng vật liệu làm đƣờng trên thế giới và Việt Nam .............. 19 1.3.1. Trên thế giới .............................................................................................. 19 1.3.2. Ở Việt Nam ............................................................................................... 26 1.4. Định hƣớng nghiên cứu của Luận án ........................................................... 30 1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. 31 CHƢƠNG 2 ............................................................................................................. 33 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH CƢỜNG ĐỘ CỦA VẬT LIỆU GIA CỐ CHẤT KẾT DÍNH VÔ CƠ VÀ BÊ TÔNG HẠT NHỎ ................ 33 2.1. Cơ sở lý thuyết về độ chặt ............................................................................ 33 2.2. Lý thuyết cơ sở về chất kết dính và vật liệu gia cố ...................................... 36 2.3. Sự hình thành cƣờng độ của đất gia cố vôi .................................................. 39 2.4. Sự hình thành cƣờng độ của các lớp vật liệu gia cố xi măng ....................... 40 2.5. Nghiên cứu hình thành cƣờng độ đất gia cố xi măng kết hợp tro bay ......... 41 2.6. Nguyên tắc hình thành cƣờng độ và thiết kế cấp phối bê tông hạt nhỏ ....... 44 2.7. Một số chỉ tiêu và yêu cầu đối với cấp phối, đất, cát gia cố bằng chất kết dính vô cơ và bê tông xi măng trong thiết kế móng, mặt đƣờng......................... 48 2.7.1. Một số chỉ tiêu đánh giá ............................................................................ 48 2.7.2. Yêu cầu đối với đất gia cố chất kết dính vô cơ ......................................... 51 2.7.3. Yêu cầu đối với cát gia cố xi măng ........................................................... 52
iv 2.7.4. Yêu cầu đối với cấp phối đá dăm và cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng ............................................................................................................................. 52 2.7.5. Một số yêu cầu về cƣờng độ và cấu tạo đối với mặt đƣờng ..................... 53 CHƢƠNG 3 ............................................................................................................. 58 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÕNG VẬT LIỆU ĐỊA PHƢƠNG LÀM MÓNG VÀ MẶT ĐƢỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN........................ 58 3.1. Cát đỏ ............................................................................................................ 58 3.2. Tro bay .......................................................................................................... 63 3.3. Xi măng......................................................................................................... 67 3.4. Cát nghiền ..................................................................................................... 67 3.5. Phụ gia .......................................................................................................... 70 3.6. Nƣớc ............................................................................................................. 70 3.7. Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng cát đỏ Bình Thuận gia cố xi măng và tro bay Vĩnh Tân .................................................................................................. 70 3.7.1. Kế hoạch và phƣơng pháp thực nghiệm.................................................... 70 3.7.2. Trình tự thực nghiệm ................................................................................. 71 3.7.3. Thực hiện và kết quả thực nghiệm ............................................................ 72 3.8. Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng bê tông hạt nhỏ sử dụng cát đỏ Bình Thuận và tro bay Vĩnh Tân .................................................................................. 90 3.8.1. Kế hoạch và phƣơng pháp thực nghiệm.................................................... 90 3.8.2. Trình tự thực nghiệm ................................................................................. 91 3.8.3. Nghiên cứu thực nghiệm vật liệu bê tông hạt nhỏ gồm hỗn hợp cát đỏ, cát nghiền, tro bay, xi măng ...................................................................................... 91 3.9. Kết luận chƣơng 3....................................................................................... 109 3.9.1. Đối với cát đỏ và tro bay ......................................................................... 109 3.9.2. Đối với thực nghiệm hỗn hợp vật liệu gia cố .......................................... 110 3.9.3. Đối với thực nghiệm hỗn hợp bê tông hạt nhỏ........................................ 110 CHƢƠNG 4 ........................................................................................................... 113 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÁC DẠNG KẾT CẤU LÀM MÓNG VÀ MẶT ĐƢỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN KHU VỰC NAM TRUNG BỘ .......... 113 4.1. Một số mô hình kết cấu đƣờng giao thông nông thôn ................................ 113 4.2. Nguyên tắc và thông số đầu vào thiết kế .................................................... 114 4.2.1. Nguyên tắc thiết kế .................................................................................. 114 4.2.2. Thông số thiết kế ..................................................................................... 115 4.3. Tính toán cƣờng độ kết cấu mặt đƣờng ...................................................... 115 4.3.1. Đối với mặt đƣờng mềm ......................................................................... 115 4.3.2. Đối với mặt đƣờng cứng ......................................................................... 116 4.4. Đề xuất các kết cấu và kiểm toán kết cấu ................................................... 117 4.4.1. Đề xuất mô hình kết cấu .......................................................................... 117
v 4.4.2. Kiểm toán kết cấu mặt đƣờng ................................................................. 124 4.5. Hiệu quả kinh tế và môi trƣờng .................................................................. 128 4.6. Kết luận chƣơng 4....................................................................................... 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 133 I. KẾT LUẬN .................................................................................................... 133 II. KIẾN NGHỊ .................................................................................................. 135 III. HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ....................................................... 135 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................. 137
vi DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1. 1 Tốc độ thiết kế và tải trọng trục tiêu chuẩn thiết kế các công trình trên đƣờng đối với các cấp đƣờng GTNT [8] ........................................................... 7 Bảng 1. 2 Tổng hợp phân cấp kỹ thuật đƣờng GTNT theo chức năng của đƣờng và lƣu lƣợng xe thiết kế (Ntk) [8], [25] ................................................................... 7 Bảng 1. 3 Phân loại địa hình theo vùng về nguồn vật liệu sẵn có [2] ....................... 9 Bảng 1. 4 Các dạng kết cấu mặt đƣờng GTNT cho đƣờng huyện [8] .................... 10 Bảng 1. 5 Các dạng kết cấu mặt đƣờng GTNT cho đƣờng xã [8] .......................... 11 Bảng 1. 6 Các dạng kết cấu mặt đƣờng GTNT cho đƣờng thôn xóm [8] ............... 13 Bảng 1. 7 Tổng hợp đƣờng giao thông nông thôn cả nƣớc ..................................... 15 Bảng 1. 8 Phân loại kết cấu mặt đƣờng theo lƣợng mƣa [52]................................. 19 Bảng 1. 9 Thống kê lƣợng tro, xỉ/ tái sử dụng một số nƣớc Âu-Mỹ [49] ............... 21 Bảng 1. 10 Lƣợng khí thải CO2 một số loại hỗn hợp bê tông [65] ......................... 22 Bảng 2. 1 Thành phần hạt của cát nghiền [13] ........................................................ 48 Bảng 2. 2 Chỉ tiêu cơ lý yêu cầu của đất gia cố ...................................................... 52 Bảng 2. 3 Yêu cầu đối với cƣờng độ cát gia cố xi măng ........................................ 52 Bảng 2. 4 Yêu cầu đối với cƣờng độ cấp phối gia cố xi măng ............................... 53 Bảng 2. 5 Phân cấp quy mô giao thông ................................................................... 53 Bảng 2. 6 Cƣờng độ nén và cƣờng độ kéo khi uốn của xi măng dùng làm mặt đƣờng bê tông xi măng .................................................................................... 54 Bảng 2. 7 Các chỉ tiêu cƣờng độ, mô đun đàn hồi của bê tông làm đƣờng [7]....... 54 Bảng 2. 8 Yêu cầu cƣờng độ đối với các loại đƣờng GTNT [8] ............................. 55 Bảng 2. 9 Cƣờng độ chịu nén [60] .......................................................................... 55 Bảng 2. 10 Cƣờng độ chịu ép chẻ [60].................................................................... 56 Bảng 3. 1 Các chỉ tiêu và tiêu chuẩn thí nghiệm ..................................................... 59 Bảng 3. 2 Kết quả thí nghiệm chỉ tiêu thành phần hạt cát đỏ Bình Thuận ............. 60 Bảng 3. 3 Một số chỉ tiêu cơ lý khác của cát đỏ Bình Thuận ................................. 60 Bảng 3. 4 Thành phần khoáng của cát đỏ Bình Thuận ........................................... 61 Bảng 3. 5 Bảng kết quả thí nghiệm độ ẩm tối ƣu .................................................... 61 Bảng 3. 6 Bảng kết quả thí nghiệm khối lƣợng thể tích khô................................... 62 Bảng 3. 7 Các chỉ tiêu và tiêu chuẩn thí nghiệm đối với tro bay ............................ 64 Bảng 3. 8 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu tro bay Vĩnh Tân .................................. 64 Bảng 3. 9 So sánh một số chỉ tiêu của tro bay Vĩnh Tân với một số tro bay khác [45], [49] .......................................................................................................... 66 Bảng 3. 10 Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng VICEM Bút Sơn PC40 ........................ 67 Bảng 3. 11 Bảng thành phần hạt của cát nghiền [13].............................................. 68 Bảng 3. 12 Tính chất cơ lý của cát nghiền .............................................................. 69
vii Bảng 3. 13 Kết quả thí nghiệm cƣờng độ nén (Rn) ................................................ 74 Bảng 3. 14 Kết quả thí nghiệm cƣờng độ chịu ép chẻ (Rech) ............................... 74 Bảng 3. 15 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi...................................................... 75 Bảng 3. 16 Đánh giá độ chụm kết quả thí nghiệm Rech ở 14 ngày tuổi của mẫu 100% cát đỏ ...................................................................................................... 77 Bảng 3. 17 Thiết kế thí nghiệm Rn, Rech cát đỏ gia cố ở các ngày tuổi ................ 78 Bảng 3. 18 Kết quả thí nghiệm cƣờng độ nén (Rn) ................................................ 89 Bảng 3. 19 Kết quả thí nghiệm cƣờng độ chịu ép chẻ (Rech) ................................ 90 Bảng 3. 20 Thành phần hạt hỗn hợp cát nghiền và cát đỏ ...................................... 93 Bảng 3. 21 Kết quả mô đun đàn hồi sau khi thí nghiệm ......................................... 99 Bảng 3. 22 Kết quả cƣờng độ chịu nén ................................................................... 99 Bảng 3. 23 Kết quả cƣờng độ chịu kéo khi ép chẻ ................................................ 100 Bảng 3. 24 Ví dụ đánh giá độ chụm kết quả thí nghiệm Rech ở 14 ngày tuổi ....... 102 Bảng 4. 1 Chiều rộng tối thiểu các yếu tố trên mặt cắt ngang đƣờng cấp VI ....... 118 Bảng 4. 2 Đề xuất mô hình kết cấu đối với đƣờng huyện ..................................... 119 Bảng 4. 3 Chiều rộng tối thiểu các yếu tố trên mặt cắt ngang đƣờng cấp A ........ 121 Bảng 4. 4 Đề xuất mô hình kết cấu đối với đƣờng xã ........................................... 121 Bảng 4. 5 Kiểm toán kết cấu mặt đƣờng (áo đƣờng mềm) ................................... 125 Bảng 4. 6 Tổng hợp kết quả kiểm toán áo đƣờng mềm ........................................ 128 Bảng 4. 7 Kết quả tính toán toán định mức thi công lớp móng gia cố ................. 130 Bảng 4. 8 Đơn giá lớp móng cho mặt đƣờng láng nhựa [44] ............................... 130 Bảng 4. 9 Kết cấu và đơn giá mặt đƣờng bê tông xi măng đối chứng [33] .......... 131
viii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1. 1 Một số kết cấu đƣờng GTNT ở Nam Phi ................................................ 20 Hình 1. 2 Thi công tuyến đƣờng A52 sử dụng tro bay tại Anh .............................. 23 Hình 1. 3 Thi công hỗn hợp tro bay làm móng, mặt đƣờng [62], [63] ................... 25 Hình 1. 4 Thi công gia cố tro bay – đất làm nền đƣờng [60], [66] ......................... 25 Hình 1. 5 Phản ứng nƣớc và xi măng khi có phụ gia RoadCem ............................. 27 Hình 1. 6 Tác dụng phá vỡ màng ngăn giữa xi măng và hạt đất ............................ 27 Hình 1. 7 Thi công đƣờng gia cố đất bằng công nghệ Roadcem ............................ 27 Hình 2. 1 Đƣờng cong Fuller với các hệ số h khác nhau ........................................ 34 Hình 2. 2 Mẫu thí nghiệm cƣờng độ chịu kéo khi ép chẻ ....................................... 49 Hình 3. 1 Hình ảnh các đồi cát đỏ tại Bình Thuận .................................................. 58 Hình 3. 2 Hình ảnh cát đỏ đƣợc thu thập để thực nghiệm ..................................... 59 Hình 3. 3 Mẫu cát đỏ Bình Thuận và khuôn thí nghiệm ......................................... 59 Hình 3. 4 Tổng quan vị trí khu vực nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân ......................... 63 Hình 3. 5 Một số ảnh về tro bay Vĩnh Tân .............................................................. 63 Hình 3. 6 Máy trộn cƣỡng bức ................................................................................ 71 Hình 3. 7 Khuôn và chày đầm ................................................................................. 71 Hình 3. 8 Một số hình ảnh đúc mẫu ........................................................................ 72 Hình 3. 9 Bảo dƣỡng mẫu và mẫu thí nghiệm ........................................................ 72 Hình 3. 10 Thí nghiệm cƣờng độ chịu nén, ép chẻ, mô đun đàn hồi ...................... 72 Hình 3. 11 Thiết bị thí xác định cƣờng độ chịu nén ................................................ 96 Hình 3. 12 Thiết bị thí xác định cƣờng độ chịu kéo khi ép chẻ .............................. 96 Hình 3. 13 Thiết bị thí xác định cƣờng độ chịu kéo khi uốn .................................. 96 Hình 3. 14 Thiết bị thí xác định mô đun đàn hồi .................................................... 97 Hình 3. 15 Chế tạo mẫu thí nghiệm ........................................................................ 97 Hình 3. 16 Các mẫu chờ thí nghiệm theo các ngày tuổi ......................................... 97 Hình 3. 17 Mẫu trƣớc và sau khi thí nghiệm xác định cƣờng độ chịu nén ............. 97 Hình 3. 18 Mẫu trƣớc và sau thí nghiệm xác định cƣờng độ ép chẻ ...................... 98 Hình 3. 19 Mẫu trƣớc và sau thí nghiệm xác định cƣờng độ chịu kéo khi uốn ...... 98 Hình 4. 1 Tổng hợp mô hình kết cấu áo đƣờng đề xuất ........................................ 123 Hình 4. 2 Sơ đồ cấu tạo mặt đƣờng BTXM thông thƣờng.................................... 126
ix DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 1. 1 Đƣờng GTNT toàn quốc theo kết cấu mặt đƣờng .............................. 16 Biểu đồ 1. 2 Đƣờng GTNT tỉnh Bình Thuận phân theo cấp kỹ thuật ..................... 16 Biểu đồ 1. 3 Đƣờng GTNT tỉnh Bình Thuận phân theo kết cấu mặt ...................... 17 Biểu đồ 3. 1 Thành phần hạt của cát đỏ Bình Thuận .............................................. 60 Biểu đồ 3. 2 Độ ẩm tối ƣu của cát đỏ ...................................................................... 62 Biểu đồ 3. 3 Thành phần hạt của cát nghiền ........................................................... 69 Biểu đồ 3. 4 Minh họa loại bỏ số liệu ngoại lai Rech 14 ngày ................................. 76 Biểu đồ 3. 5 Biểu đồ phần dƣ phân tích thống kê Rn ............................................. 80 Biểu đồ 3. 6 Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hƣởng đến Rn ..................................... 81 Biểu đồ 3. 7 Biểu đồ ảnh hƣởng các yếu tố chính đến Rn ...................................... 81 Biểu đồ 3. 8 Ảnh hƣởng tƣơng tác các yếu tố đến Rn ............................................ 83 Biểu đồ 3. 9 Biểu đồ cƣờng độ nén (Rn) ở mức tin cậy 95% ................................. 83 Biểu đồ 3. 10 Phần dƣ phân tích thống kê Rech ..................................................... 84 Biểu đồ 3. 11 Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hƣởng đến Rn ................................... 85 Biểu đồ 3. 12 Ảnh hƣởng các yếu tố chính đến Rech ............................................. 85 Biểu đồ 3. 13 Ảnh hƣởng tƣơng tác các yếu tố đến Rech ....................................... 87 Biểu đồ 3. 14 Biểu đồ cƣờng độ ép chẻ 95% CI ..................................................... 87 Biểu đồ 3. 15 Mô đun đàn hồi theo các cấp phối khác nhau .................................. 99 Biểu đồ 3. 16 Cƣờng độ chịu nén các cấp phối ở các tuổi 3, 7, 14, 28 ngày ........ 100 Biểu đồ 3. 17 Cƣờng độ ép chẻ các cấp phối ở các tuổi 3, 7, 14, 28 ngày ........... 100 Biểu đồ 3. 18 Cƣờng độ kéo uốn các cấp phối 28 ngày tuổi ................................ 101 Biểu đồ 3. 19 Ví dụ minh họa loại bỏ số liệu ngoại lai Rech 14 ngày .................. 102 Biểu đồ 3. 20 Biểu đồ phần dƣ phân tích thống kê Rn ......................................... 103 Biểu đồ 3. 21 Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hƣởng đến Rn................................. 104 Biểu đồ 3. 22 Biểu đồ ảnh hƣởng các yếu tố chính đến Rn .................................. 104 Biểu đồ 3. 23 Biểu đồ ảnh hƣởng tƣơng tác các yếu tố đến Rn ............................ 105 Biểu đồ 3. 24 Biểu đồ cƣờng độ nén Rn 95% CI .................................................. 106 Biểu đồ 3. 25 Biểu đồ ảnh hƣởng các yếu tố chính đến Rech ................................ 107 Biểu đồ 3. 26 Biểu đồ cƣờng độ ép chẻ 95% CI ................................................... 108
x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AASHTO Hiệp hội các cơ quan đƣờng bộ và vận tải Hoa Kỳ (American Association of State Highway and Transportation Officials) ACI Viện Bê tông Hoa Kỳ (American Conrete Institute) ASTM Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing and Materials) BKHĐT Bộ Kế hoạch đầu tƣ BGTVT Bộ Giao thông vận tải BTĐL Bê tông đầm lăn BTN Bê tông nhựa BTXM Bê tông xi măng CĐ Cát đỏ CKD Chất kết dính CN Cát nghiền CP Chính phủ CPĐD Cấp phối đá dăm ĐTM Đánh giá tác động môi trƣờng GTNT Giao thông n ng thôn GTVT Giao thông vận tải KVSX Khu vực sản xuất MKN Mất khi nung N Nƣớc NQ Nghị quyết ODA Hỗ trợ phát triển chính thức (Official Development Assistance) PCU Xe con quy đổi (passenger car unit) QCVN Quy chuẩn Việt Nam QĐ Quyết định SEACAP Chƣơng trình tiếp cận cộng đồng Đông Nam Á (South East Asia Community Access Programme) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TCN Tiêu chuẩn ngành TTg Thủ tƣớng TT Thông tƣ TW Trung ƣơng XM Xi măng WB Ngân hàng thế giới (World Bank)
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cần thiết của Luận án Nƣớc ta là nƣớc nông nghiệp, khu vực nông thôn chiếm trên 80% diện tích lãnh thổ, trên 65% dân số sống ở nông thôn, lực lƣợng lao động nhờ vào các hoạt động nông nghiệp chiếm trên 40% lực lƣợng lao động xã hội. Vai trò của nông nghiệp, nông thôn rất quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội, đảm bảo quốc phòng, an ninh, vì vậy Đảng, Nhà nƣớc và Chính phủ đã ban hành nhiều Nghị quyết, chƣơng trình mục tiêu về nông nghiệp, nông thôn. Trung Ƣơng đã ban hành Nghị quyết số 26-NQ/TW, ngày 5/8/2008 Hội nghị lần thứ bảy Ban Chấp hành Trung ƣơng khoá X về nông nghiệp, nông dân, nông thôn xác định mục tiêu: “Nông nghiệp, nông dân, nông thôn có vị trí chiến lƣợc trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá, xây dựng và bảo vệ Tổ quốc, là cơ sở và lực lƣợng quan trọng để phát triển kinh tế - xã hội bền vững, giữ vững ổn định chính trị, đảm bảo an ninh, quốc phòng”… Chính phủ đã ban hành các Nghị quyết số 24/2008/NQ-CP ngày 28/10/2008 nhằm thực hiện Nghị quyết số 26-NQ/TW của Ban Chấp hành Trung ƣơng, Nghị quyết số 30a/2008/NQ-CP ngày 27/12/2008 về Chƣơng trình giảm nghèo nhanh và bền vững cấp huyện... Thủ tƣớng Chính phủ ban hành các Quyết định số 491/QĐ-TTg ngày 16/4/2009 Bộ tiêu chí quốc gia về nông thôn mới và Quyết định số 800/QĐ-TTg, ngày 04/6/2010 phê duyệt Chƣơng trình mục tiêu Quốc gia xây dựng nông thôn mới giai đoạn 2010-2020. Trong phát triển nông nghiệp, nông thôn, lĩnh vực GTNT đóng vai trò quan trọng, kết nối các vùng nông thôn với quốc lộ, tỉnh lộ, khu đô thị, khu công nghiệp, khu chế xuất; thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa, tạo điều kiện phát triển cơ giới hoá trong sản xuất, trao đổi hàng hoá, đẩy mạnh, nâng cao đời sống cho ngƣời dân khu vực nông thôn. - Định hƣớng phát triển GTNT: Thực hiện mục tiêu theo chƣơng trình mục tiêu quốc gia xây dựng nông thôn mới và định hƣớng chiến lƣợc phát triển GTNT Việt Nam, các địa phƣơng đã nỗ lực thực hiện cứng hóa đƣờng GTNT, tỉ lệ đƣờng huyện cứng hóa trên 70%, đƣờng xã, thôn cứng hóa trên 40%; loại kết cấu mặt đƣờng cứng hóa chủ đạo vẫn là kết cấu BTXM truyền thống, kết cấu nhựa,
2 móng cấp phối, đất gia cố vôi, xi măng. Trong giai đoạn này, việc nghiên cứu một số công nghệ mới, vật liệu mới trên cơ sở phát huy lợi thế của địa phƣơng cũng đã đƣợc thực hiện nhằm giảm chi phí đầu tƣ, nâng cao chất lƣợng công trình và giảm thiểu tác động đến môi trƣờng, tuy nhiên vẫn còn đang ở giai đoạn thí điểm, nhƣ vật liệu bột kết dính thủy hóa vô cơ dùng để gia cố đất làm móng đƣờng; vật liệu carboncor asphalt (công nghệ của Nam Phi) dùng để bảo trì đƣờng, vật liệu SA44-LS40 gia cố với vôi và đất (áp dụng tại Hƣng Yên); mặt đƣờng GTNT sử dụng công nghệ công nghệ rovo (rovo - một loại chất phụ gia của Đức), một số sản phẩm công nghệ mới trong sản xuất cấu kiệu bê tông cốt sợi, cấu kiệu rãnh parabon đã đƣợc áp dụng tại nhiều địa phƣơng, góp phần giảm khối lƣợng xi măng, cát, đá trên 1 đơn vị cấu kiện; một số nghiên cứu tận dụng tro bay, xỉ lò cao của các nhà máy nhiệt điện, cát biển, gạch nung, đá chẻ,... sử dụng làm vật liệu cho đƣờng GTNT (thử nghiệm tại Hƣng Yên, Nghệ An, Hà Tĩnh, một số tỉnh miền Trung, Tây Nguyên, đồng bằng sông Cửu Long theo chƣơng trình SEACAP). Mặc dù các nghiên cứu các loại vật liệu tận dụng điều kiện địa phƣơng, các loại vật liệu mới, công nghệ mới đƣợc nghiên cứu, thử nghiệm, tuy nhiên tính chất vận dụng chƣa đƣợc thực hiện đại trà. Với điều kiện địa hình ven biển miền Trung, cụ thể tỉnh Bình Thuận có lƣợng cát đỏ ven biển lớn, nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân với lƣợng tro, xỉ thải hàng trăm ngàn tấn mỗi năm là nguồn vật liệu tiềm năng đối với kết cấu mặt đƣờng GTNT, nâng cao hiệu quả kinh tế, giảm thiểu tiêu cực về ô nhiễm môi trƣờng; việc nghiên cứu sử dụng vật liệu địa phƣơng là cần thiết. Nhƣ vậy, đề tài rất cần thiết vừa có ý nghĩa khoa học, thực tiễn, vừa mang tính kinh tế, góp phần phát triển bền vững của địa phƣơng. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu về khả năng ứng dụng hỗn hợp cát đỏ khu vực Bình Thuận với Tro bay nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân trong xây dựng móng mặt đƣờng GTNT. Nghiên cứu xác định thành phần, đặc tính cơ lý của cát đỏ Bình Thuận, tro bay Vĩnh Tân, đánh giá sự phù hợp và khả năng ứng dụng trong chế tạo vật liệu gia cố và bê tông hạt nhỏ.
3 Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng phối hợp các loại vật liệu cát đỏ, tro bay làm vật liệu gia cố cho móng và làm lớp mặt đƣờng GTNT. Nghiên cứu, đề xuất các dạng kết cấu mặt đƣờng GTNT dùng vật liệu gia cố làm lớp móng đƣờng và bê tông hạt nhỏ làm lớp mặt đƣờng sử dụng cát đỏ Bình Thuận và tro bay Vĩnh Tân. 3. Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu - Phạm vi: + Khu vực nghiên cứu là khu vực duyên hải Nam trung Bộ, trọng tâm là khu vực tỉnh Bình Thuận; nghiên cứu sự phù hợp của vật liệu địa phƣơng tại tỉnh Bình Thuận gồm cát đỏ, tro bay nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân để làm kết cấu móng và mặt đƣờng GTNT. + Thời gian nghiên cứu: trong khoảng thời gian 12/2013 - 2017, kéo dài nghiên cứu đến năm 2020. - Đối tƣợng nghiên cứu: + Cát đỏ khu vực duyên hải trên địa bàn tỉnh Bình Thuận + Tro bay từ nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân, tỉnh Bình Thuận + Đƣờng giao thông nông thôn với kết cấu mặt đƣờng chịu tải trọng thấp. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Các kết quả nghiên cứu về các tính chất cơ lý của vật liệu địa phƣơng (cát đỏ, tro bay) khu vực duyên hải Nam Trung Bộ, bằng các thực nghiệm phối trộn vật liệu với các tỉ lệ phù hợp đã minh chứng tính khả thi có thể sử dụng làm vật liệu chế tạo bê tông, vật liệu gia cố làm móng, mặt đƣờng giao thông nông thôn. Nội dung Luận án là những gợi ý, tài liệu tham khảo cho các kỹ sƣ khi áp dụng vật liệu này làm đƣờng nông thôn. Các nghiên cứu thực nghiệm về các đặc trƣng cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ chịu kéo khi ép chẻ, cƣờng độ kéo uốn, mô đun đàn hồi, qua đó so sánh với các tiêu chuẩn kĩ thuật về móng, mặt đƣờng, xác định đƣợc các tỉ lệ phù hợp khuyến cáo làm lớp móng, mặt đƣờng GTNT phù hợp với khả năng kinh tế, điều kiện giao thông khu vực.
4 - Ý nghĩa khoa học: nghiên cứu xác định loại vật liệu, hàm lƣợng cát đỏ, tro bay hợp lý thông qua việc đánh giá các chỉ số vật liệu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, xác lập phƣơng trình hồi quy tƣơng quan giữa hàm lƣợng xi măng, cát đỏ, tro bay với độ tuổi, cƣờng độ chịu nén, chịu kéo khi ép chẻ của mẫu vật liệu. - Ý nghĩa thực tiễn: Việc sử dụng vật liệu địa phƣơng, cụ thể là cát đỏ Bình Thuận, tro bay nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân sẽ góp phần tăng khả năng tiêu thụ, sử dụng nguồn vật liệu địa phƣơng thêm phong phú, tăng hiệu quả kinh tế (do giảm lƣợng xi măng trong xây dựng), giảm thiểu các tác động của môi trƣờng (từ tro bay của nhà máy nhiệt điện và hiệu ứng khí nhà kính đối với vật liệu thuần bê tông xi măng) phát triển kinh tế - xã hội của địa phƣơng và khu vực. 5. Cấu trúc của Luận án Cấu trúc của Luận án gồm các nội dung sau: - Mở đầu. - Chƣơng 1: Tổng quan đƣờng giao thông nông thôn khu vực duyên hải Nam Trung Bộ. - Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành cƣờng độ của vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ và bê tông hạt nhỏ. - Chƣơng 3: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng vật liệu địa phƣơng làm móng và mặt đƣờng giao thông nông thôn. - Chƣơng 4: Nghiên cứu đề xuất các dạng kết cấu làm móng và mặt đƣờng giao thông nông thôn khu vực Nam Trung Bộ. - Kết luận và kiến nghị.
5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN ĐƢỜNG GIAO THÔNG NÔNG THÔN KHU VỰC DUYÊN HẢI NAM TRUNG BỘ 1.1. Tổng quan đƣờng giao thông nông thôn 1.1.1. Khái niệm đƣờng giao thông nông thôn Theo Tiêu chuẩn Việt Nam - Đƣờng giao thông nông thôn – yêu cầu thiết kế (TCVN 10380:2014), đƣờng giao thông nông thôn khái niệm nhƣ sau: - Đƣờng giao thông nông thôn: gồm các tuyến nối tiếp từ hệ thống quốc lộ, tỉnh lộ đến các làng mạc, thôn xóm, ruộng đồng, trang trại, các cơ sở sản xuất, chăn nuôi… phục vụ sản xuất nông – lâm – ngƣ nghiệp và phát triển kinh tế - văn hóa – xã hội của các địa phƣơng. - Đƣờng thôn: nối từ đƣờng huyện, đƣờng xã hoặc các thôn, làng, ấp, bản và đơn vị tƣơng đƣơng đến các đồng ruộng, nƣơng rãy, trang trại, các cơ sở sản xuất, chăn nuôi... hoặc đến các thôn, làng, ấp, bản lân cận. - Đƣờng dân sinh: nối từ đƣờng xã, đƣờng thôn hoặc các cụm dân cƣ đến đồng ruộng, nƣơng rãy, cơ sở sản xuất... hoặc đến các cụm dân cƣ, hộ gia đình lân cận. - Đƣờng vào khu vực sản xuất (KVSX): nối từ quốc lộ, tỉnh lộ hoặc trung tâm hành chính của huyện đến các khu vực sản xuất, gia công, chế biến Nông Lâm Thủy Hải sản thuộc huyện quản lý (vùng trồng cây công nghiệp, cánh đồng mẫu lớn, đồng muối, làng nghề, trang trại và các cơ sở tƣơng đƣơng). Đƣờng Huyện quốc lộ, tỉnh lộ trung tâm hành trung tâm hành trung tâm hành chính của huyện, chính của huyện, chính xã thị xã lân cận thị xã
6 Đƣờng Xã đường huyện trung tâm hành trung tâm hành thôn, làng, ấp, chính của xã lân chính xã bản và đơn vị cận tương đương Đƣờng Thôn đường huyện, đường xã thôn, làng, ấp, thôn, làng, ấp, đồng ruộng, bản và đơn vị bản và đơn vị trang trại, các cơ tương đương lân tương đương sở sản xuất, cận chăn nuôi... Đƣờng Khu vực sản xuất (KVSX) quốc lộ, tỉnh lộ trung tâm hành thôn, làng, ấp, chính huyện KVSX bản và đơn vị tương đương Đƣờng Dân sinh đường xã, đường thôn cụm dân cư, hộ cụm dân cư, hộ đồng ruộng, gia đình lân cận gia đình nương rãy, cơ sở sản xuất thôn, làng, ấp, 1.1.2. Một số yêu cầu kĩ thuật đối với đƣờng giao thông nông thôn Đƣờng GTNT thông thƣờng có 4 cấp kỹ thuật A, B, C và D, trong đó các
7 cấp A, B và C thiết kế áp dụng đối với đƣờng có ô tô lƣu thông. Lựa chọn cấp kỹ thuật tuyến đƣờng tùy thuộc vào lƣu lƣợng xe thiết kế (Ntk). Ngoài 4 cấp kỹ thuật nhƣ trên, căn cứ theo chức năng, tầm quan trọng, lƣu lƣợng, có thể lựa chọn thiết kế đƣờng GTNT theo cấp VI, V hoặc cấp IV trong TCVN 4054:2005 [25], áp dụng cho những khu vực kinh tế phát triển hoặc có khối lƣợng vận chuyển hành khách và hàng hóa lớn nhƣ: đƣờng có vị trí quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội của huyện, là cầu nối chuyển tiếp hàng hóa, hành khách từ hệ thống đƣờng quốc gia (quốc lộ, tỉnh lộ) đến trung tâm hành chính của huyện, của xã và các khu chế xuất của huyện; đƣờng Khu sản xuất, chăn nuôi, gia công, chế biến Nông - Lâm - Thủy - Hải sản; đƣờng vùng trồng cây công nghiệp; cánh đồng lớn; đồng muối; làng nghề; trang trại và các cơ sở tƣơng đƣơng. Tốc độ thiết kế và tải trọng trục tiêu chuẩn thiết kế các công trình trên đƣờng đối với các cấp đƣờng GTNT đƣợc quy định ở Bảng 1.1, 1.2. Bảng 1. 1 Tốc độ thiết kế và tải trọng trục tiêu chuẩn thiết kế các công trình trên đƣờng đối với các cấp đƣờng GTNT [8] Kiểm toán đối với xe Cấp kỹ thuật Tốc độ xe chạy Tải trọng trục xe vƣợt tải có tải trọng của đƣờng thiết kế, Km/h thiết kế, Kg trục, Kg A 30 (20) 6000 10000 B 20 (15) 2500 6000 C 15 (10) 2500 6000 D - - - Trị số trong ngoặc (...) áp dụng đối với địa hình miền núi (độ dốc ngang > 30%) Bảng 1. 2 Tổng hợp phân cấp kỹ thuật đƣờng GTNT theo chức năng của đƣờng và lƣu lƣợng xe thiết kế (Ntk) [8], [25] Lƣu lƣợng xe Theo TCVN Theo TCVN thiết kế (Ntk), Chức năng của đƣờng 4054:2005 10380:2014 xe quy đổi/ngày đêm Đƣờng huyện có vị trí quan trọng đối với phát Cấp IV, V, - ≥ 200 triển kinh tế - xã hội, là cầu nối chuyển tiếp VI hàng hóa, hành khách từ hệ thống đƣờng quốc gia đến trung tâm hành chính của huyện, xã, Cấp VI A 100  200 các khu chế xuất; phục vụ sự đi lại và lƣu
8 Lƣu lƣợng xe Theo TCVN Theo TCVN thiết kế (Ntk), Chức năng của đƣờng 4054:2005 10380:2014 xe quy đổi/ngày đêm thông hàng hóa trong phạm vi của huyện. Đƣờng xã có vị trí quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội của xã, kết nối, lƣu thông - A 100  200 hàng hóa từ huyện tới các thôn, làng, ấp, bản, các cơ sở sản xuất kinh doanh của xã, chủ yếu phục vụ sự đi lại của ngƣời dân và lƣu thông - B 50  < 100 hàng hóa trong trong phạm vi của xã. Đƣờng thôn chủ yếu phục vụ sự đi lại của - B 50  < 100 ngƣời dân và lƣu thông hàng hóa trong trong phạm vi của thôn, làng, ấp, bản; kết nối và lƣu thông hàng hóa tới các trang trại, ruộng đồng, - C < 50 nƣơng rẫy, cơ sở sản xuất, chăn nuôi. Đƣờng dân sinh chủ yếu phục vụ sự đi lại của ngƣời dân giữa các cụm dân cƣ, các hộ gia đình và từ nhà đến nƣơng rẫy, ruộng đồng, cơ Không có xe ô - D sở sản xuất, chăn nuôi nhỏ lẻ... Phƣơng tiện tô chạy qua giao thông trên đƣờng dân sinh chủ yếu là xe đạp, xe mô tô hai bánh, xe kéo tay, ngựa thồ. Đƣờng KVSX phục vụ đi lại của ngƣời dân, lƣu thông nguyên vật liệu, hàng hóa và đến Xe có tải trọng các cơ sở sản xuất, chăn nuôi, gia công, chế Cấp IV, V, trục > 6000 Kg - biến Nông Lâm Thủy Hải sản; vùng trồng cây VI ÷ 10000 Kg công nghiệp; cánh đồng mẫu lớn; đồng muối; chiếm trên 10% làng nghề; trang trại, các cơ sở tƣơng đƣơng. 1.1.3. Nguyên tắc thiết kế và xây dựng đƣờng giao thông nông thôn - Nguyên tắc phù hợp với lưu lượng: đƣờng GTNT không yêu cầu lƣu lƣợng lớn nhƣ đối với các loại đƣờng cấp cao khác, tùy theo chức năng, vị trí quan trọng của tuyến đƣờng và điều kiện thực tế, lựa chọn một trong các phƣơng pháp điều tra và dự báo lƣu lƣợng xe thiết kế. Đƣờng GTNT, lƣu lƣợng thiết kế thông thƣờng nhỏ hơn 200 PCU/ngày đêm; chỉ những trục đƣờng quan trọng (đƣờng huyện chính) mới xem xét đến lƣu lƣợng lớn hơn 200 PCU/ngày đêm. - Nguyên tắc phù hợp với tải trọng: tải trọng đƣờng GTNT thấp hơn so với đƣờng cấp cao khác, tùy từng cấp đƣờng có tải trọng tiêu chuẩn thiết kế phù hợp