Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tô

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:165

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tô" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng làm móng và mặt đường ô tô; Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý vật liệu đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng làm móng mặt đường ô tô; Nghiên cứu đề xuất một số kết cấu mặt đường sử dụng hỗn hợp đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN CAO CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN CAO CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hướng dẫn khoa học: 1. GS. TS. Phạm Huy Khang 2. TS. Nguyễn Văn Nam Hà Nội - 2024
-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 án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Cao Cường
-II- LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, tôi trân trọng cảm ơn các cơ quan, đơn vị đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Trường Đại học Giao thông vận tải; Văn phòng UBND tỉnh Hải Dương; Phòng Đào tạo Sau đại học; Trung tâm Khoa học công nghệ GTVT; Phòng Thí nghiệm công trình Vilas 047; Khoa Công trình; Bộ môn Đường bộ; Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy hướng dẫn khoa học là GS.TS Phạm Huy Khang và TS Nguyễn Văn Nam. Các Thầy đã định hướng, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Đường bộ, bộ môn Đường ô tô và Sân bay, các nhà khoa học trong và ngoài Trường, các đồng nghiệp đã quan tâm, giúp đỡ, nhận xét, góp ý về mặt chuyên môn cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, nhân viên Phòng thí nghiệm Công trình Vilas 047 đã giúp đỡ tôi thực hiện các thí nghiệm của luận án. Cảm ơn gia đình và bạn bè, những người thân luôn ở bên tôi, ủng hộ và khích lệ tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, tháng 05 năm 2024 Tác giả luận án Nguyễn Cao Cường
-III- MỤC LỤC Danh mục hình ảnh, biểu đồ Danh mục các bảng Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu MỞ ĐẦU......................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG LÀM MÓNG VÀ MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ ........................................ 5 1.1. Đá thải tại các mỏ đá và tình hình sử dụng đá thải trong xây dựng đường ô tô........... 5 1.1.1. Hệ thống giao thông đường bộ và nhu cầu vật liệu xây dựng ........................... 5 1.1.2. Quy trình khai thác đá tại mỏ ............................................................................ 6 1.2. Tổng quan về tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam .................................. 9 1.2.1. Nguồn gốc tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than ............................................... 9 1.2.2. Các đặc trưng của tro bay ................................................................................ 11 1.2.3. Phân loại tro bay .............................................................................................. 12 1.2.4. Tình hình vật liệu tro bay tại Việt Nam........................................................... 15 1.2.5. Tính chất của tro bay nhiệt điện đốt than ở Việt Nam .................................... 15 1.3. Lý thuyết về sử dụng vật liệu đất, đá gia cố chất kết dính vô cơ trong xây dựng mặt đường ô tô .......................................................................................................................... 21 1.3.1. Khái niệm chung về gia cố vật liệu ................................................................. 21 1.3.2. Sự hình thành cường độ của vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ ..................... 22 1.3.3. Sự hình thành cường độ của các lớp vật liệu gia cố xi măng .......................... 25 1.3.4. Sự hình thành cường độ đá thải kết hợp tro bay gia cố xi măng ..................... 26 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về đá, đá thải, tro bay gia cố xi măng làm móng mặt đường ô tô ......................................................................................................... 27 1.4.1. Trên thế giới .................................................................................................... 27 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................... 29 1.5. Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án .................................................................... 33
-IV- 1.6. Mục tiêu và nội dung của đề tài nghiên cứu ............................................................... 34 1.6.1. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................ 34 1.6.2. Nội dung của đề tài nghiên cứu ....................................................................... 35 1.7. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 35 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG LÀM MÓNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ ....................................................................... 36 2.1. Yêu cầu của vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ làm móng đường ô tô ..................... 36 2.1.1. Yêu cầu cơ bản đối với đất gia cố chất kết dính vô cơ theo TCVN 10379:2014 ................................................................................................................................... 36 2.1.2. Yêu cầu vật liệu của cấp phối thiên nhiên và cấp phối đá dăm gia cố xi măng theo TCVN 8858:2011 .............................................................................................. 37 2.2. Thí nghiệm đánh giá hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng ............................... 39 2.2.1. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén ......................................................... 39 2.2.2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo - uốn Rku ......................................... 40 2.2.3. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi E .......................................................... 41 2.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ làm móng đường, nền đường đường ô tô ........................................................................................................ 43 2.4. Lựa chọn bãi đá thải và đánh giá chất lượng của đá thải ........................................... 44 2.4.1. Lựa chọn bãi đá thải ........................................................................................ 44 2.4.2. Thí nghiệm xác định thành phần hạt của đá thải ............................................. 45 2.4.3. Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đá thải ......................................... 47 2.4.4. Nhận xét, đánh giá kết quả thí nghiệm đá thải để sử dụng làm vật liệu xây dựng kết cấu mặt đường ..................................................................................................... 48 2.5. Kế hoạch nghiên cứu thực nghiệm ............................................................................. 49 2.5.1. Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu: ................................................................. 50 2.5.2. Các nội dung nghiên cứu ................................................................................. 50 2.5.3. Chế bị mẫu và phương pháp thí nghiệm: ........................................................ 50 2.6. Kết quả thí nghiệm vật liệu thành phần ...................................................................... 51
-V- 2.6.1. Kết quả thí nghiệm vật liệu đá thải sử dụng trong nghiên cứu ....................... 51 2.6.2. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu của tro bay sử dụng trong nghiên cứu .......... 51 2.6.3. Xi măng ........................................................................................................... 52 2.6.4. Nước ................................................................................................................ 53 2.7. Công tác chế bị mẫu và công tác thí nghiệm .............................................................. 53 2.8. Kết quả thí nghiệm và phân tích, đánh giá kết quả thí nghiệm .................................. 58 2.8.1. Kết quả thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén ........ 58 2.8.2. Kết quả thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm cường độ chịu ép chẻ ... 64 2.8.3. Kết quả thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi............. 71 2.8.4. Tương quan thực nghiệm giữa cường độ ép chẻ, mô đun đàn hồi với cường độ chịu nén của hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng ................................................ 77 2.9. Phân tích ảnh hưởng của tỉ lệ tro bay đến tính chất cơ lý của hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng.................................................................................................................... 78 2.9.1. Cấu tạo và cấu trúc của hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng ..................... 78 2.9.2. Tỉ lệ tro bay hợp lý trong hỗn hợp đá thải, tro bay gia cố xi măng ................. 80 2.10. Kết luận Chương 2.................................................................................................... 82 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ VẬT LIỆU ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG LÀM MÓNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ ................................................................................................................................................. 83 3.1. Quy trình công nghệ khai thác đá làm vật liệu xây dựng ở Việt Nam ....................... 83 3.1.1. Tổng quan về quá trình khai thác đá ............................................................... 83 3.1.2. Công tác đào bóc tầng phủ tạo tuyến khai thác ............................................... 84 3.1.3. Công tác khai đá .............................................................................................. 85 3.1.4. Công tác gia công vật liệu. .............................................................................. 86 3.1.5. Thực trạng công tác gia công cốt liệu ở các mỏ đá ở Việt Nam ..................... 88 3.2. Công nghệ thu gom và xử lý đá thải........................................................................... 90 3.2.1. Đá thải tại mỏ đá.............................................................................................. 90 3.2.2. Công tác thu gom và xử lý đá thải................................................................... 91
-VI- 3.2.3. Phối trộn và tính toán tỉ lệ phối trộn ................................................................ 95 3.3. Công nghệ sử dụng hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng làm móng đường và mặt đường ô tô .......................................................................................................................... 96 3.3.1. Thiết kế hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng ........................................ 96 3.3.2. Công nghệ trộn hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng ............................ 97 3.3.3. Công nghệ thi công hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng .................... 102 3.3.4. Theo dõi, kiểm soát vết nứt và giải pháp xử lý vết nứt ................................. 107 3.3.5. Những lưu ý khi thi công ............................................................................... 109 3.4. Kết luận Chương 3.................................................................................................... 109 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MỘT SỐ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG SỬ DỤNG HỖN HỢP ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG ................. 111 4.1. Nguyên tắc đề xuất và phạm vi áp dụng kết cấu mặt đường .................................... 111 4.1.1. Nguyên tắc đề xuất kết cấu mặt đường ......................................................... 111 4.1.2. Đề xuất phạm vi áp dụng kết cấu mặt đường ................................................ 113 4.2. Lựa chọn phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường ................................................. 113 4.3. Đề xuất kết cấu mặt đường có sử dụng lớp vật liệu đá thải tro bay gia cố xi măng 115 4.3.1. Những lưu ý khi thiết kế cấu tạo kết cấu mặt đường BTXM có lớp móng bằng vật liệu đá gia cố xi măng ........................................................................................ 115 4.3.2. Những lưu ý khi thiết kế cấu tạo kết cấu mặt đường mềm có lớp móng bằng vật liệu đá gia cố xi măng .............................................................................................. 117 4.3.3. Đề xuất kết cấu mặt đường có sử dụng hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng ................................................................................................................................. 121 4.4. Thiết kế kiểm chứng với một số kết cấu mặt đường đã đề xuất ............................... 125 4.4.1. Thiết kế kiểm chứng kết cấu mặt đường BTXM đã đề xuất ......................... 125 4.4.2. Thiết kế kiểm chứng kết cấu mặt đường mềm đã đề xuất............................. 132 4.5. Kết luận Chương 4.................................................................................................... 141 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 142 Các công trình đã công bố Tài liệu tham khảo
-VII- DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1. Quy hoạch mạng lưới đường bộ cao tốc ở Việt Nam đến năm 2050 .................. 6 Hình 1.2. Công tác khoan nổ mìn sản xuất đá xây dựng ..................................................... 7 Hình 1.3. Hình ảnh công tác xay nghiền và phân loại đá .................................................... 8 Hình 1.4. Thu hồi tro, xỉ trong nhà máy nhiệt điện ........................................................... 11 Hình 1.5. Kích thước và hình dạng của hạt tro bay [46] ................................................... 12 Hình 1.6. Hình dạng hạt tro bay điển hình của NMNĐ đốt than phun [3]........................ 18 Hình 1.7. Hình dạng hạt tro bay điển hình của NMNĐ đốt than tầng sôi [3] ................... 18 Hình 1.8. Biểu thị thành phần các chất kết dính vô cơ trên tọa độ tam giác đều [25] ...... 23 Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc mang điện phức tạp của các hạt sét – keo [30].......................... 24 Hình 2.1. Xác định cường độ chịu kéo gián tiếp bằng ép chẻ mẫu hình trụ ..................... 41 Hình 2.2: Sơ đồ thử nghiệm xác định mô đun đàn hồi...................................................... 42 Hình 2.3. Hình ảnh lấy mẫu đá thải tại mỏ Sunway – Quốc Oai – Hà Nội ...................... 45 Hình 2.4. Hình ảnh thí nghiệm xác định thành phần hạt của mẫu đá thải ........................ 45 Hình 2.5. Thành phần hạt của đá thải và các loại cấp phối đá dăm. ................................. 46 Hình 2.6. Thành phần hạt của đá thải và các loại cấp phối thiên nhiên ............................ 46 Hình 2.7. Thành phần cấp phối hạt của hỗn hợp đá thải điều chỉnh bằng cách trộn tro bay ........................................................................................................................................... 47 Hình 2.8 Thành phần hạt của tro bay sử dụng thí nghiệm [46] ......................................... 52 Hình 2.10. Một số hình ảnh công tác chế bị mẫu .............................................................. 56 Hình 2.11. Hình ảnh công tác bảo dưỡng mẫu .................................................................. 56 Hình 2.12. Hình ảnh công tác thí nghiệm xác định cường độ chịu nén ............................ 57 Hình 2.13. Hình ảnh công tác thí nghiệm xác định cường độ chịu ép chẻ........................ 57 Hình 2.14. Hình ảnh công tác thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi ................................. 58 Hình 2.15. Biểu đồ tổng hợp cường độ chịu nén của mẫu đá thải tro bay gia cố XM ...... 61
-VIII- Hình 2.16. Biểu đồ Pareto thể hiện các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của hỗn hợp ..................................................................................................................................... 62 Hình 2.17. Các biến ảnh hưởng chính đến cường độ chịu nén của hỗn đá thải tro bay gia cố xi măng ......................................................................................................................... 63 Hình 2.18. Biểu đồ tổng hợp cường độ chịu ép chẻ của mẫu đá thải tro bay gia cố XM 68 Hình 2.19. Biểu đồ Pareto thể hiện các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu ép chẻ của hỗn hợp .............................................................................................................................. 69 Hình 2.20. Các biến ảnh hưởng chính đến cường độ chịu nén của hỗn đá thải tro bay gia cố xi măng ......................................................................................................................... 69 Hình 2.21. Mô đun đàn hồi của mẫu đá thải tro bay gia cố xi măng ở 28 ngày tuổi ........ 74 Hình 2.22. Biểu đồ Pareto thể hiện các yếu tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của hỗn hợp ........................................................................................................................................... 75 Hình 2.23. Các biến ảnh hưởng chính đến mô đun đàn hồi của hỗn đá thải tro bay gia cố xi măng .................................................................................................................................. 75 Hình 2.24. Ảnh mặt cắt mẫu ở hàm lượng XM 5% với các tỉ lệ tro bay khác nhau ......... 80 Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ khai thác đá bằng phương pháp lộ thiên [33] ........................ 84 Hình 3.2. Tổ chức bóc đất và đổ đất vào đường hào đã lấy vật liệu ................................. 84 Hình 3.3. Nổ vi sai theo hàng ngang ................................................................................. 85 Hình 3.4. Sơ đồ nguyên tắc cấu tạo các loại máy nghiền đá khác nhau [23] .................... 86 Hình 3.5. Sơ đồ nghiền với chu kỳ hở và chu kỳ kín [023] .............................................. 87 Hình 3.6. Sơ đồ sàng [23] ................................................................................................. 87 Hình 3.7. Sơ đồ trạm nghiền sàng đá phổ biến nhất ở Việt Nam ...................................... 88 Hình 3.8. Loại trạm nghiền với 3 hàm nghiền và 2 hệ sàng cung cấp cốt liệu ................. 89 với 5 kích cỡ khác nhau ..................................................................................................... 89 Hình 3.9. Loại trạm nghiền với chỉ 2 hàm nghiền, nhưng 3 hệ sàng (hệ sàng sơ bộ chỉ có một lớp), hệ sàng thứ cấp (số 2 và số 3) được sắp xếp để cung cấp cốt liệu với 4 kích cỡ ........................................................................................................................................... 89
-IX- Hình 3.10. Hình ảnh vật liệu rơi vãi tại bãi nổ mìn và đường vận chuyển từ bải nổ mìn về khu vực sản xuất đá mỏ Sunway ....................................................................................... 90 Hình 3.11. Hình ảnh vật liệu rơi vãi tại bãi sản xuất mỏ đá Sunway ................................ 91 Hình 3.12. Hình ảnh máy nghiền đá mini PE250x400 cấp liệu rung 4m3 và cấp liệu thủ công ................................................................................................................................... 93 Hình 3.13. Cấu tạo của máy nghiền côn ............................................................................ 94 Hình 3.14. Sơ đồ trạm trộn hỗn hợp BTXM làm việc theo ............................................... 98 sơ đồ công nghệ một cấp [23] ........................................................................................... 98 Hình 3.15. Sơ đồ của trạm trộn hỗn hợp BTXM làm việc theo sơ đồ công nghệ hai cấp [23]..................................................................................................................................... 99 Hình 3.16. Hình ảnh trạm trộn hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng điển hình.......... 100 Hình 3.17. Máy trộn hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng di động tại đường ............ 101 Hình 3.18. Hình ảnh công tác lu lèn mặt đường đất trộn tro bay gia cố xi măng .......... 107 Hình 4.1. Trình tự phân tích thiết kế kết cấu mặt đường ................................................ 113 Hình 4.2 - Mô hình tính toán hệ nhiều lớp đàn hồi chịu tải phân bố .............................. 133
-X- DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C 618 [48] ....................................... 13 Bảng 1.2 Khối lượng tro, xỉ dự kiến theo quy hoạch điện VII.......................................... 15 Bảng 1.4. Tính chất của tro bay điển hình của NMNĐ đốt than phun tại Việt Nam [3] .. 17 Bảng 1.5. Tính chất của tro bay điển hình của NMNĐ đốt than tầng sôi tại Việt Nam ... 19 Bảng 1.6. Thành phần hoá của tro bay NMNĐ sử dụng than nhập ngoại ........................ 20 Bảng 1.7 Kết quả thí nghiệm gia cố hỗn hợp đất lẫn đá gia cố tro xỉ [46] ....................... 30 Bảng 2.1. Yêu cầu về thành phần hạt của CPĐD gia cố xi măng [4] ............................... 37 Bảng 2.2. Yêu cầu về thành phần hạt của CPTN gia cố xi măng [4] ............................... 38 Bảng 2.3. Yêu cầu về cường độ của cấp phối gia cố xi măng theo TCVN 8858:2011..... 43 Bảng 2.4. Yêu cầu về cường độ của cấp phối gia cố xi măng theo TCCS 37:2002/TCĐBVN ........................................................................................................................................... 44 Bảng 2.5. Một số chỉ tiêu cơ bản của các đá thải mỏ đá Sunway ..................................... 48 Bảng 2.6. Chỉ tiêu cơ lý lựa chọn đánh giá và tiêu chuẩn tham chiếu .............................. 50 Bảng 2.7. Khối lượng mẫu thí nghiệm hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng .......... 51 Bảng 2.8. Thành phần hóa học tro bay sử dụng trong thiết kế hỗn hợp thí nghiệm ......... 52 Bảng 2.9. Các đặc tính vật lý của tro bay sử dụng trong thiết kế hỗn hợp thí nghiệm ..... 52 Bảng 2.10. Các đặc trưng vật lý của xi măng Nghi Sơn ................................................... 53 Bảng 2.11. Kết quả thí nghiệm xác định độ ẩm tối ưu và khối lượng thể tích khô lớn nhất của hỗn hợp đá thải trộn tro bay gia cố xi măng ............................................................... 54 Bảng 2.12. Cường độ chịu nén của mẫu đá thải tro bay gia cố xi măng ở 14 ngày tuổi... 58 Bảng 2.13. Cường độ chịu nén của mẫu đá thải tro bay gia cố xi măng ở 28 ngày tuổi... 59 Bảng 2.14. Đánh giá độ chụm của cường độ chịu nén ở 14 ngày tuổi của các hỗn hợp gia cố 4% xi măng ................................................................................................................... 60 Bảng 2.15. Đánh giá độ chụm của cường độ chịu nén ở 14 ngày tuổi của các hỗn hợp gia cố 5% xi măng ................................................................................................................... 60
-XI- Bảng 2.16. Đánh giá độ chụm của cường độ chịu nén ở 14 ngày tuổi của các hỗn hợp gia cố 6% xi măng ................................................................................................................... 61 Bảng 2.17. Kết quả chi tiết phân tích phương sai ANOVA cường độ chịu nén ............... 62 Bảng 2.18. Cường độ chịu ép chẻ của mẫu đá thải tro bay gia cố XM ở 14 ngày tuổi..... 65 Bảng 2.19. Cường độ chịu ép chẻ của mẫu đá thải tro bay gia cố xi măng ở 28 ngày tuổi ........................................................................................................................................... 65 Bảng 2.20. Đánh giá độ chụm của cường độ chịu ép chẻ ở 14 ngày tuổi của các hỗn hợp gia cố 4% xi măng ............................................................................................................. 66 Bảng 2.21. Đánh giá độ chụm của cường độ chịu ép chẻ ở 14 ngày tuổi của các hỗn hợp gia cố 5% xi măng ............................................................................................................. 66 Bảng 2.22. Đánh giá độ chụm của cường độ chịu ép chẻ ở 14 ngày tuổi của các hỗn hợp gia cố 6% xi măng ............................................................................................................. 67 Bảng 2.23. Kết quả chi tiết phân tích phương sai ANOVA cường độ chịu ép chẻ ........... 68 Bảng 2.24. Mô đun đàn hồi của mẫu đá thải tro bay gia cố xi măng ở 28 ngày tuổi ........ 71 Bảng 2.25. Đánh giá độ chụm của mô đun đàn hồi ở 28 ngày tuổi của các hỗn hợp gia cố 4% xi măng ........................................................................................................................ 72 Bảng 2.26. Đánh giá độ chụm của mô đun đàn hồi ở 28 ngày tuổi của các hỗn hợp gia cố 5% xi măng ........................................................................................................................ 72 Bảng 2.27. Đánh giá độ chụm của mô đun đàn hồi ở 28 ngày tuổi của các hỗn hợp gia cố 6% xi măng ........................................................................................................................ 73 Bảng 2.29. Kết quả chi tiết phân tích phương sai ANOVA cường độ chịu ép chẻ ........... 74 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của một số máy nghiền đá mini PEX .................................. 93 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của một số máy nghiền côn Hòa Phát ................................. 94 Bảng 4.1. Phân cấp quy mô giao thông khi thiết kế mặt đường BTXM ......................... 115 Bảng 4.2. Chiều dày tấm BTXM thông thường theo cấp hạng đường........................... 116 Bảng 4.3. Chọn loại lớp móng trên tùy thuộc quy mô giao thông cho mặt đường BTXM ......................................................................................................................................... 117
-XII- Bảng 4.4. Kết cấu áo đường mềm theo tổng lượng trục xe tiêu chuẩn 100 kN tích lũy/1 làn xe trong thời hạn thiết kế ................................................................................................. 118 Bảng 4.5. Chiều dày tối thiểu của tầng mặt cấp cao A1 (mặt đường mềm) tùy thuộc quy mô giao thông .................................................................................................................. 119 Bảng 4.6. Kết cấu mặt đường cho đường GTNT ............................................................ 122 Bảng 4.7. Kết cấu mặt đường cho đường ô tô ................................................................. 124 Bảng 4.8. Kết quả kiểm toán kết cấu mặt đường BTXM đường cấp IV quy mô giao thông mức trung bình................................................................................................................. 128 Bảng 4.9. Kết quả tính toán mặt đường BTXM có qui mô giao thông nặng (Đường cấp III) ......................................................................................................................................... 131 Bảng 4.10. Thông số vật liệu thiết kế mặt đường mềm cho đường ô tô cấp III quy mô giao thông cấp trung bình ........................................................................................................ 136 Bảng 4.11. Kết quả tính toán mặt đường BTXM cho đường ô tô cấp III có qui mô giao thông cấp trung bình ........................................................................................................ 136 Bảng 4.12. Thông số vật liệu thiết kế mặt đường mềm cho đường ô tô cấp II quy mô giao thông cấp nặng ................................................................................................................. 139 Bảng 4.13. Kết quả tính toán mặt đường BTN cho đường ô tô cấp II có qui mô giao thông cấp nặng ........................................................................................................................... 139
-XIII- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU AASHTO : Hiệp hội những người làm đường và vận tải toàn nước Mỹ ASTM : Hiệp hội về thí nghiệm và vật liệu Mỹ BTXM : Bê tông xi măng CBR : Chỉ số sức chịu tải (Califomia Bearing Ratio) CPĐD : Cấp phối đá dăm CPTN : Cấp phối thiên nhiên CTB : Hỗn hợp gia cố xi măng (Cement Treated Base) FBC : Công nghệ đốt than tầng sôi (Fluidized Bed Combustion) GTNT : Giao thông nông thôn GTVT : Giao thông vận tải SAMI : Lớp hấp thụ ứng suất (Stress Absorbing Membrane Interlayer) MKN : Mất khi nung NCS : Nghiên cứu sinh NMNĐ : Nhà máy nhiệt điện TCCS : Tiêu chuẩn cơ sở TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam VLXD : Vật liệu xây dựng XM : Xi măng Ech : Mô đun đàn hồi khi nén tĩnh chung của mặt đường, lớp kết cấu Eđh, E : Mô đun đàn hồi khi nén tĩnh Rec : Cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ) Rku : Cường độ chịu kéo uốn Rn : Cường độ chịu nén R14, R28 : Cường độ chịu nén ở 14, 28 ngày tuổi  : Khối lượng thể tích khô lớn nhất tiêu chuẩn Wo : Độ ẩm đầm nén tốt nhất tiêu chuẩn
-1- MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Kết cấu hạ tầng nói chung và kết cấu hạ tầng giao thông nói riêng là nền tảng vật chất có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế-xã hội của đất nước. Trong thời gian qua, Đảng, Nhà nước và cả xã hội đã dành sự quan tâm lớn cho đầu tư phát triển giao thông vận tải; một số công trình giao thông hiện đại, như đường bộ cao tốc, cảng biển quốc tế, cảng hàng không quốc tế,... được đầu tư xây dựng đạt tiêu chuẩn khu vực và quốc tế, góp phần tạo diện mạo mới cho đất nước. Từ năm 2012-2020, hạ tầng giao thông đường bộ đã được đầu tư xây dựng như sau: đã đưa vào khai thác 1.041km đường cao tốc, đang đầu tư xây dựng hơn 160km, tiếp tục triển khai các thủ tục để đầu tư xây dựng thêm 654km đường cao tốc Bắc - Nam phía Đông (theo Nghị quyết số 52/2017/QH14, ngày 22/11/2017 của Quốc hội); 40km đường cao tốc đoạn thành phố Lạng Sơn - cửa khẩu Hữu Nghị (Đồng Đăng); 92km đường cao tốc Vân Đồn - Móng Cái. Định hướng đến năm 2030: Phấn đấu đến năm 2030, trên 80% các tỉnh/thành phố trong cả nước đều có đường bộ cao tốc đi qua hoặc kết nối tới trung tâm hành chính và có khoảng 3.500km - 4.000km đường bộ cao tốc. Trong đó, ưu tiên đầu tư đưa vào khai thác thông tuyến đường bộ cao tốc Bắc - Nam từ Lạng Sơn đến Cà Mau, các tuyến đường bộ cao tốc trên các hành lang vận tải chủ yếu, các tuyến đường bộ cao tốc cửa ngõ kết nối với thủ đô Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và các đô thị lớn, các tuyến cao tốc vành đai đô thị; hệ thống đường bộ Việt Nam đồng bộ về tiêu chuẩn kỹ thuật, kết nối thuận lợi với hệ thống đường bộ ASEAN, Tiểu vùng sông Mê Công mở rộng và xuyên Á. Tuy nhiên trong quá trình thực hiện chiến lược phát triển giao thông đã qua và định hướng trong những năm tới đã xuất hiện nhiều vấn đề cần giải quyết. Một trong những vấn đề lớn là tình hình sản xuất vật liệu phục vụ xây dựng. Đến nay, ngành VLXD đã chuyển sang giai đoạn phát triển bền vững, có quy hoạch, sử dụng hợp lý, hiệu quả nguồn tài nguyên thiên nhiên, tiết kiệm nguyên nhiên liệu, năng lượng và bảo vệ môi trường, phát triển công nghệ theo hướng hiện đại hóa, sản xuất xanh.
-2- Đá xây dựng: Với tổng tài nguyên trên 53 tỷ m3 [37] đủ khả năng khai thác phục vụ cho nhu cầu xây dựng ở Việt Nam trong thời gian hàng trăm năm. Tuy nhiên sự phân bố không đều, tập trung chủ yếu ở các vùng núi khó khai thác. Trên các tuyến giao thông đã hình thành hàng loạt các mỏ khai thác với trữ lượng lớn nhỏ khác nhau. Có nhiều mỏ đã được khai thác từ lâu, tuy nhiên nhiều mỏ cũng mới được khai thác. Trong quá trình khai thác, thông thường có 15-30% đất đá thải ra trong quá trình sản xuất đá các loại (bao gồm đất đá tầng phủ, bột đá, đá kích cỡ khác nhau trong quá trình khai thác và sản xuất...). Với khối lượng hàng chục triệu m3 đá (đáp ứng theo yêu cầu kỹ thuật) các loại cần sử dụng thì lượng đá thải ra tại các mỏ rất lớn. Ngoài vật liệu đá thải, hiện nay một nguồn vật liệu khác cũng đang gây ra những tác động không nhỏ tới môi trường đó là tro bay tại các nhà máy nhiệt điện. Theo kết quả nghiên cứu của Viện Vật Liệu Xây Dựng, Bộ Xây Dựng, tính đến năm 2016, tại Việt Nam có tổng cộng 21 cụm nhà máy nhiệt điện hoạt động, trong đó có 10 nhà máy sử dụng công nghệ đốt than phun, 12 nhà máy sử dụng công nghệ đốt than tầng sôi. Tổng công suất nhiệt điện 13.110 MW. Theo kết quả điều tra của Viện Vật liệu xây dựng, tổng lượng tro, xỉ phát thải năm 2016 khoảng 15.784.357 tấn, dự kiến đến năm 2030 lượng tro, xỉ phát thải khoảng 38.314.500 tấn. Với lượng tro, xỉ khổng lồ như trên, hiện nay mới chỉ tận dụng được một phần rất nhỏ sử dụng trong bê tông đầm lăn, chủ yếu đã sử dụng ở một số nhà máy thủy điện, phần lớn lượng còn lại chưa được nghiên cứu sử dụng gây nên hiện tượng tồn đọng rất lớn, một mối nguy cơ đối với môi trường. Với khối lượng lớn, chất thải này có thể gây ra những vấn đề phức tạp liên quan đến các rủi ro về ô nhiễm, chất lượng đất đai và các ảnh hưởng về mỹ quan và đều có tiềm năng gây ra các tác động tới môi trường theo nhiều khía cạnh khác nhau. Bao gồm: - Thay đổi mục đích sử dụng đất hiện tại. - Phá hủy các môi trường sống tự nhiên do phát quang hay vùi lấp. - Phát tán bùn cát lắng vào hệ thống thoát nước, xói mòn các đập đất đá thải. - Phát thải các hợp chất hòa tan bao gồm các kim loại nặng và cyanua vào các con sông, cửa sông và biển hoặc do thải trực tiếp, ngấm hoặc do chảy tràn từ các nguồn thải trên.
-3- - Ô nhiễm nguồn nước ngầm do chất thải đào thải ra. - Phát tán bụi từ các bề mặt khô vào môi trường gây ô nhiễm không khí và ảnh hưởng đến môi trường sống. - Làm biến đổi hình thái các lưu vực ven sông và các khu vực chịu lũ lụt, do đó có thể làm cho các tác động của lũ lụt thêm trầm trọng hơn. Việc nghiên cứu và sử dụng 2 loại vật liệu phế thải này là hết sức cần thiết không chỉ sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên mà còn có ý nghĩa phát triển bền vững trong xây dựng. Chính vì vậy đề tài “Nghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tô” là cần thiết, có tính thời sự và có ý nghĩa khoa học. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng đá thải kết hợp với tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng làm móng mặt đường ô tô và đường GTNT; Nghiên cứu đề xuất công nghệ sử dụng đá thải và tro bay gia cố xi măng làm móng mặt đường ô tô và đường GTNT 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là đá thải tại các mỏ đá kết hợp với tỷ lệ tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố với xi măng sử dụng làm lớp vật liệu trong kết cấu mặt đường ô tô, đường GTNT Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu thử nghiệm trong phòng xác định các chỉ tiêu cơ lý của đá thải (ở một mỏ nhất định) kết hợp với tro bay (với các tỷ lệ khác nhau) và gia cố với xi măng (với các tỷ lệ khác nhau) để tìm ra tỷ lệ hợp lý. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: + Làm rõ được cơ sở khoa học, hiệu quả gia cố xi măng đối với đá thải tại các mỏ đá kết hợp với tỷ lệ tro bay. + Đa dạng hóa các loại kết cấu mặt đường. Phân tích, tính toán và đề xuất áp dụng một số kết cấu mặt đường ô tô điển hình sử dụng đá thải tại các mỏ đá kết hợp với tỷ lệ tro bay gia cố xi măng
-4- + Kiến nghị công nghệ thi công và kiểm soát chất lượng lớp vật liệu - Ý nghĩa thực tiễn: + Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần vào hiện thực hóa chủ trương tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên và bảo vệ môi trường và tận dụng vật liệu địa phương trong xây dựng đường ô tô. + Giải quyết vấn đề khan hiếm vật liệu trong xây dựng các công trình giao thông. + Góp phần giảm giá thành xây dựng khi tận dụng vật liệu phế thải.
-5- CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG LÀM MÓNG VÀ MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1. Đá thải tại các mỏ đá và tình hình sử dụng đá thải trong xây dựng đường ô tô 1.1.1. Hệ thống giao thông đường bộ và nhu cầu vật liệu xây dựng Kết cấu hạ tầng nói chung và kết cấu hạ tầng giao thông nói riêng là nền tảng cơ sở vật chất có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. Do đó, trong những năm gần đây, Chính phủ Việt Nam luôn quan tâm ưu tiên tăng vốn đầu tư từ nguồn ngân sách để xây dựng một kết cấu hạ tầng giao thông đồng bộ, hiện đại. Trong những năm qua, nhiều hình thức huy động vốn đã được Chính phủ chấp thuận và ủng hộ để đầu tư xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông, điển hình là những công trình đầu tiên đầu tư bằng hình thức BOT, BT, với tổng mức đầu tư vài chục tỷ đồng. Bước vào thời kỳ đổi mới nền kinh tế, đặc biệt là trong hơn 10 năm qua, sự phát triển nhanh và ngày càng nâng cao về chất lượng kết cấu hạ tầng giao thông đã thỏa mãn tốt hơn nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa của xã hội. Giao thông vận tải chính là sự kết hợp hữu cơ của kết cấu hạ tầng, phương tiện và tổ chức dịch vụ vận tải. Trong đó, kết cấu hạ tầng đóng vai trò quan trọng và cần phải đi trước một bước. Chính vì vậy, chủ trương đầu tư phát triển kết cấu hạ tầng giao thông đã được nêu ra trong Nghị quyết Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ VI, với mục tiêu đến năm 2020 phải đưa nước ta trở thành nước có nền kinh tế phát triển, theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa; và từ giai đoạn 2021 - 2030 đầu tư phát triển kết cấu hạ tầng giao thông tiếp tục là một trong những đột phá chiến lược quan trọng cần ưu tiên đầu tư phát triển, đi trước một bước với tốc độ nhanh, bền vững. Thực hiện đường lối của Đảng, Nghị quyết của Quốc hội và định hướng phát triển kinh tế - xã hội 4 vùng trọng điểm, ngày 1/3/2016 Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 326/QĐ-TTg về Quy hoạch phát triển mạng đường bộ cao tốc đến năm 2030 đáp ứng yêu cầu lâu dài của đất nước. Theo đó, triển khai 21 tuyến đường, tổng chiều dài 6.411 km, riêng tuyến Bắc Nam và tuyến Bắc Nam phía Đông có tổng chiều dài 2.083 km, tuyến phía Tây dài 1.269 km. Theo quy hoạch, đến năm 2050 sẽ có 9014km đường cao tốc với 41 tuyến.