Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Xác định độ rỗng hở và hệ số thấm nước nội tại trong bê tông xi măng mặt đường ô tô sử dụng cấp phối thông thường

Chia sẻ: Lạc Táp | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Xác định độ rỗng hở và hệ số thấm nước nội tại trong bê tông xi măng mặt đường ô tô sử dụng cấp phối thông thường" nhằm xác định độ rỗng hở và hệ số thấm nước nội tại trong bê tông xi măng mặt đường ô tô khi sử dụng cấp phối thông thường, nhằm đưa ra các đánh giá khoa học làm cơ sở cho việc thiết kế, thi công, khai thác giúp nâng cao tuổi thọ của tấm bê tông xi măng mặt đường ô tô. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Xác định độ rỗng hở và hệ số thấm nước nội tại trong bê tông xi măng mặt đường ô tô sử dụng cấp phối thông thường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG ----------*---------- NGUYỄN VĂN HÙNG XÁC ĐỊNH ĐỘ RỖNG HỞ VÀ HỆ SỐ THẤM NƯỚC NỘI TẠI TRONG BTXM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ SỬ DỤNG CẤP PHỐI THÔNG THƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hà Nội -2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG ----------*---------- NGUYỄN VĂN HÙNG XÁC ĐỊNH ĐỘ RỖNG HỞ VÀ HỆ SỐ THẤM NƯỚC NỘI TẠI TRONG BTXM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ SỬ DỤNG CẤP PHỐI THÔNG THƯỜNG NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ MÃ SỐ: 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. VŨ NGỌC TRỤ Hà Nội - 2012
3 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học xây dựng, em đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ tận tình và tạo điều kiện thuận lợi của nhiều tập thể, cá nhân để hoàn thành được khóa học. Trước tiên, với sự trân trọng và lòng biết ơn sâu sắc, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy giáo T.S Vũ Ngọc Trụ, người đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu, triển khai và hoàn thành luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn tới Lãnh đạo nhà trường, các Thầy giáo, Cô giáo trong Khoa cầu đường, Khoa sau đại học, phòng thí nghiệm - Las 115 của Khoa vật liệu xây dựng và các khoa khác trong trường Đại học xây dựng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức và hỗ trợ thực hiện các thí nghiệm cho em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài luận văn cao học. Xin trân trọng cảm ơn sự quan tâm, tạo điều kiện của Lãnh đạo Ban quản lý Khu kinh tế Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa, cảm ơn các bạn đồng nghiệp, các bạn học viên trong lớp cao học đường ô tô và đường thành phố khóa tháng 8/2009 đã nhiệt tình giúp đỡ Tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, những người thân đã luôn tin tưởng, động viên, khuyến khích tôi trong suốt quá trình học tập. Dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện luận văn, song do trình độ và kiến thức còn hạn chế, nội dung luận văn không tránh khỏi những thiếu sót và có những phần nghiên cứu chưa thực sự sâu sắc. Bản thân học viên rất mong nhận được sự cảm thông, chỉ bảo của các Thầy giáo, Cô giáo và các bạn đồng nghiệp trong quá trình bảo vệ luận văn cũng như trong suốt quá trình công tác sau này. Em xin trân trọng cảm ơn ! Hà Nội, ngày 13 tháng 12 năm 2012. Học viên Nguyễn Văn Hùng
4 MỤC LỤC Ký hiệu viết tắt.……………………………...………………………………….. 6 Danh mục hình ảnh ………………………...……………………….………….. 9 Danh mục bảng biểu………………………...………………………………….. 10 Phần mở đầu.……………………………...………………………..………….. 12 Chương I . Nghiên cứu tổng quan ............................................................................ 17 I.1 Tổng quan về vật liệu xi măng ........................................................................... 17 I.1.1 Nguồn gốc của xi măng ........................................................................ 17 I.1.2 Thành phần hóa khoáng của xi măng ................................................... 18 I.1.3 Nguồn cung cấp xi măng trên thị trường Việt Nam ............................. 20 I.2 Bê tông xi măng dùng cho mặt đường ô tô ....................................................... 21 I.1.4 Yêu cầu đối với bê tông cho mặt đường ô tô....................................... 21 I.1.5 Tình hình sử dụng mặt đường BTXM ở Việt Nam và trên thế giới. ... 21 I.3 Khái quát về tính bền vững và tuổi thọ của vật liệu bê tông – bê tông cốt thép, ảnh hưởng của môi trường rỗng của bê tông tới tuổi thọ công trình ..... 24 I.4 Kết luận............................................................................................................... 35 Chương II .. So sánh lý thuyết và thực nghiệm một số phương pháp thiết kế thành phần cấp phối BTXM ................................................................................................. 37 II.1 Mở đầu .............................................................................................................. 37 II.2 Một số phương pháp thiết kế cấp phối BTXM của Việt Nam và ở các nước phát triển.......................................................................................................... 38 II.2.1 Thiết kế thành phần cấp phối BTXM theo quy định của Việt Nam ..... 38 II.2.2 Phương pháp Dreux – Gorrisse ............................................................ 41 II.2.3 Thiết kế cấp phối theo phương pháp ACI 211.1-91 ............................. 46 II.2.4 Phương pháp của Viện môi trường Anh (DOE) ................................... 48
5 II.2.5 Nhận xét về các phương pháp thiêt kế thành phần cấp phối BTXM... 55 II.3 So sánh thực nghiệm ....................................................................................... 57 II.3.1 Lựa chọn và đánh giá các vật liệu đưa vào thực nghiệm...................... 58 II.3.1.1 Lựa chọn các loại vật liệu .......................................................... 58 II.3.1.2 Đánh giá vật liệu sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm......... 58 II.3.2 Lựa chọn cấp phối BTXM cho mặt đường ô tô dựa theo quy định của Việt Nam và của Viện môi trường Anh ......................................... 63 II.3.3 Xác định các tính chất của bê tông tươi và bê tông kết rắn .................. 64 II.3.4 Thí nghiệm đối với bê tông tươi ........................................................... 65 II.3.5 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén. ............................................. 66 II.4 Kết luận ........................................................................................................... 67 Chương III. Thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý trên các bê tông đủ tiêu chuẩn cho mặt đường BTXM ................................................................................ 69 III.1 Mở đầu ............................................................................................................ 69 III.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo uốn .................................................. 70 III.3 Thí nghiệm xác định độ mài mòn của bê tông ................................................ 72 III.4 Xác định độ rỗng hở của mẫu bê tông ............................................................ 74 III.5 Theo dõi sự thấm nước trong bê tông ............................................................. 75 III.6 Kết luận ........................................................................................................... 78 Chương IV. Xác định hệ số thấm nội tại của bê tông .............................................. 79 IV.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................... 79 IV.2 Quá trình truyền ẩm trong tấm BTXM ........................................................... 80 IV.3 Xác định hệ số thấm nước nội tại của bê tông ................................................ 83 Chương V. Kết luận chung và kiến nghị ................................................................... 86 Tài liệu tham khảo....................................................................................................... 88
6 Ký hiệu viết tắt C = CaO C = CaO S = SiO2 A= Al2O3 F = Fe2O3 s = SO3 H = H2O C3S = 3CaO.SiO2 C2S = 2CaO.SiO2 C3A = 3CaO.Al2O3 C4AF = 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C-S-H : silicates calcium hydrate CH : hydroxyde calcium BTXM: Bê tông xi măng C, Đ, XM, N: Khối lượng cát, đá, xi măng nước trong 1 m3 bê tông (kg) CLL: Cốt liệu lớn CLN: Cốt liệu nhỏ SBi: Cấp phối bê tông thứ i thiết kế theo phương pháp của Việt Nam BSi: Cấp phối bê tông thứ i thiết kế theo phương pháp của Anh CPi: Cấp phối bê tông thứ i sau khi hiệu chỉnh N/X : Tỷ lệ nước trên xi măng
7 Rn7, Rn28: Cường độ chịu nén mẫu bê tông (Mpa) Rku: Cường độ kéo uốn mẫu bê tông (Mpa) P: Độ rỗng bê tông (%) Vo: Thể tích mẫu bê tông (m3) Vr: Thể tích lỗ rỗng bê tông (m3) Vn: Thể tích nước chứa trong lỗ rỗng bê tông (m3) Mn là khối lượng nước có trong bê tông (kg) Mk là khối lượng bê tông ở trạng thái khô (kg) Mbh là khối lượng bê tông ở trạng thái bão hòa nước (kg) Mđn là khối lượng bê tông ở trạng thái đẩy nổi (mẫu chìm trong nước) (kg) đn là dung trọng đẩy nổi của bê tông (kg/m3) bh là dung trọng bão hòa của bê tông (kg/m3) Kl: Hệ số thấm nước nội tại của bê tông (m2) V là thể tích mẫu thí nghiệm (m3) Φ là độ rỗng của mẫu bê tông (%) Ml(t): Khối lượng nước chứa trong bê tông (Kg) Sr là độ bão hòa lỗ rỗng bê tông tại điểm i , tại một thời điểm t (%) l : khối lượng thể tích của nước ở pha lỏng (kg/m3) v : khối lượng thể tích của nước ở pha khí (kg/m3) mj: khối lượng của thành phần j (j= l, v: lỏng, khí) Jj là thông lượng của dòng (kg/s.m2) (j= l, v: lỏng, khí) Qj là nguồn phát ra (kg/s.m3) (j= l, v: lỏng, khí) Mv là trọng lượng phân tử của hơi nước (kg/mol) krl là độ thấm tương đối (m2) l độ nhớt động học của nước (Pa.s)
8 cl là nồng độ tương đối của pha khí (%) pg là áp suất của pha khí (Pa) Dh là hệ số biểu biễn khả năng vận chuyển nước trong bê tông Pc là áp suất mao mạch trong bê tông (Pa) h(Sr) là độ ẩm tương đối R: Hằng số khí lý tưởng T: Nhiệt độ Kelvin T=273+t (t : độ C) Pv, Pv,sat : áp suất hơi và áp suất hơi bão hòa (Pa) patm : áp suất khí quyển(Pa) Dv,0 : hệ số khuếch tán hơi nước trong không khí
9 Danh mục các hình ảnh Hình 1. Sự phụ thuộc của cường độ chịu nén vào trạng thái ẩm của mẫu bê tông ....... 12 Hình 2. Phản ứng cacbonat hóa xi măng xảy ra khi có mặt của nước lỗ rỗng.............. 13 Hình 3: Hư hỏng của mặt đường BTXM trên tuyến đường vào khu công nghiệp Bỉm Sơn sau 3 năm khai thác......................................................................................... 19 Hình 4: Đường cao tốc autoroute A3 – E40 nối Bruxelles-Liège : Áo đường BTXM cốt thép liên tục dày 20cm, xây dựng năm 1969-1972, lưu lượng xe chạy 112000 xe/ngđ, trong đó 14% xe tải nặng (số liệu năm 2002). Đến nay vẫn trong trạng thái rất tốt. ..................................................................................................................... 21 Hình 5. Phân bố các nhóm lỗ rỗng trong một loại bê tông ........................................... 24 Hình 6. Lỗ rỗng liên thông (bên trái) và không liên thông (bên phải) trong bê tông, hình thành do có sự khác nhau về thành phần cấp phối bê tông. ........................... 25 Hình 7. Độ co ngót: 1- Của đá xi măng; 2-Của vữa; 3- Của bê tông [Giáo trình VLXD] ................................................................................................................... 28 Hình 8. Sự phân bố của các loại lỗ rỗng trong bê tông. ................................................ 29 Hình 9. Sự phụ thuộc của lượng xi măng vào tỷ lệ N/X và SN ................................... 40 Hình 10. Phân tích thành phần hạt. Đường cấp phối hạt của hỗn hợp cốt liệu có Dmax = 20 ........................................................................................................................ 40 Hình 11. Quan hệ giữa độ lệch chuẩn và cường độ ...................................................... 46 Hình 12. Quan hệ giữa cường độ nén và tỷ lệ N/X ....................................................... 47 Hình 13. Ước lượng khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông sau khi đầm chặt ......... 48 Hình 14. Tỷ lệ lượng dùng của cốt liệu nhỏ theo hàm lượng % lọt sàng 600 μm ........ 50 Hình 15. Biểu đồ đường cong cấp phối hạt của cát vàng sông Lô ............................... 57 Hình 16. Đo độ sụt của bê tông. .................................................................................... 63 Hình 17 . Thí nghiệm nén mẫu bê tông tại PTN Vật liệu xây dựng ............................. 63 Hình 18. Thí nghiệm cường độ kéo uốn ....................................................................... 68 Hình 19. Thiết bị thí nghiệm mài mòn Beme tại phòng TNVL - ĐHXD ..................... 69 Hình 20. Mẫu thí nghiệm xác định mức độ thấm nước ................................................ 73 Hình 21. Lượng nước hút vào mẫu bê tông theo thời gian thí nghiệm. ........................ 74 Hình 22. Diễn biến khối lượng nước trong bê tông theo thời gian : Kết quả thực nghiệm và mô hình hóa. ......................................................................................... 81
10 Danh mục các bảng biểu Bảng 1. Các thành phần chính tạo nên Clinker ........................................................15 Bảng 2. Lượng nước cần thiết để thủy hóa các thành phần khoáng trong xi măng .23 Bảng 3. Độ rỗng hở (thấm nước) của các loại vật liệu theo một số tác giả. ............28 Bảng 4. Lượng nước trộn ban đầu cho 1 m3 bê tông, lít ..........................................36 Bảng 5. Lượng xi măng tối thiểu cho 1 m3 bê tông, kg...........................................37 Bảng 6. Hệ số vữa dư cho bê tông dùng đá dăm, có độ sụt 2-12cm ........................38 Đường kính lớn nhất của cốt liệu Dmax được xác định theo Bảng 7: .....................38 Bảng 8. Lựa chọn cỡ hạt Dmax cho bê tông theo chiều dày lớp bảo vệ ..................39 Bảng 9. Hệ số chất lượng cốt liệu ............................................................................39 Bảng 10 . Hệ số K theo lượng xi măng, độ lèn chặt và hình dạng của hạt cát ........41 Bảng 11. Hệ số lèn chặt γ .........................................................................................42 Bảng 12. Độ sụt cần thiết khi chế tạo các kết cấu bê tông ACI-211.1-91: ..............43 Bảng 13. tỷ lệ N/X theo cường độ trung bình yêu cầu ACI-211.1-91 ....................43 Bảng 14. Lượng dùng nước sơ bộ và hàm lượng bọt khí phụ thuộc vào Dmax cốt liệu và tính công tác ...........................................................................................43 Bảng 15. Thể tích cốt liệu lớn ở trạng thái khô chọc chặt cho 1 m3 bê tông...........44 Bảng 16. Ước lượng khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông ................................44 Bảng 17. Xác định chênh lệch cường độ khi chưa có đầy đủ số liệu về độ lệch chuẩn (trong phạm vi ± 7MPa) ACI 318-89 .....................................................45 Bảng 18. Cường độ nén của bê tông (N/mm2) với tỷ lệ N/X là 0.5 ........................46 Bảng 19. Lượng dùng nước sơ bộ cho 1 m3 bê tông ...............................................47 Bảng 20. Các thí nghiệm theo tiêu chuẩn sử dụng nghiên cứu tính chất vật liệu ....56 Bảng 21. Kết quả tính chất cơ bản của cát vàng Sông Lô........................................57 Bảng 22. Kết quả thí nghiệm các tính chất cơ lý của đá dăm ..................................58 Bảng 23. Một số chỉ tiêu chính của xi măng Nghi Sơn PCB40 dân dụng ...............59 Bảng 24. Lượng dùng vật liệu cho 1 m3 hỗn hợp bê tông .......................................61 Bảng 25. Các thí nghiệm theo tiêu chuẩn đánh giá tính chất của bê tông ...............62 Bảng 26. Kết quả thí nghiệm độ sụt và cường độ chịu nén của các bê tông. ..........64
11 Bảng 27. Lượng dùng vật liệu cho 1 m3 hỗn hợp bê tông .......................................66 Bảng 28. Kết quả thí nghiệm độ sụt và cường độ chịu nén của các bê tông. ..........66 Bảng 29. Kích thước và hệ số quy đổi β về dầm tiêu chuẩn ....................................68 Bảng 30. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của các bê tông ............................69 Bảng 31. Kết quả thí nghiệm độ mài mòn cho các bê tông .....................................70 Bảng 32. Kết quả thí nghiệm xác định độ rỗng........................................................72 Bảng 33. Kết quả thí nghiệm xác định độ thấm của bê tông ...................................73 Bảng 34. Lựa chọn Kl theo tổng bình phương sai lệch bé nhất . ............................82 Bảng 35. Độ thấm nước nội tại của các bê tông . ....................................................82
12 Phần mở đầu 1. Lý do lựa chọn đề tài BTXM là hỗn hợp có sự tham gia hợp lý của đá dăm, cát, xi măng, nước và đôi khi bổ sung thêm một số phụ gia nhằm cải thiện tính chất của bê tông theo hướng có lợi cho quá trình sử dụng. Tùy theo yêu cầu và mục đích sử dụng, có thể thay đổi tỷ lệ các thành phần tham gia trong bê tông nhằm đạt được các chỉ tiêu mong muốn đối với bê tông tươi và bê tông hóa rắn như độ sụt, cường độ chịu nén, kéo uốn, mài mòn... Nước có tính phân cực, nên khi chui vào trong lỗ rỗng bê tông, nước làm thay đổi sự phân cực của các hạt vật liệu, làm cho cường độ vật liệu giảm đi, chúng ta dễ dàng nhận thấy sự thay đổi này khi thí nghiệm nén mẫu bê tông ở trạng thái khô cho cường độ chịu nén cao hơn ở trạng thái ẩm. Ở mặt đường BTXM, bề mặt phía trên chịu sự thay đổi của nhiệt độ và độ ẩm, mưa…, còn bề mặt phía dưới tiếp xúc với các lớp móng nên có sự di chuyển liên tục của các dòng hơi ẩm và nước lỏng trong bê tông từ trên xuống dưới, hoặc từ dưới lên trên thông qua hệ lỗ rỗng trong bê tông, tuân theo định luật Fick hoặc định luật Darcy. Hình 1. Sự phụ thuộc của cường độ chịu nén vào trạng thái ẩm của mẫu bê tông Trên Hình 1 biểu thị diễn biến cường độ chịu nén ở 90 ngày tuổi, của 2 loại bê tông khác nhau (cường độ chịu nén khoảng 30 MPa – 35 MPa) ở hai trạng thái:
13 ngâm bão hòa nước trong 96h, và sấy khô hoàn toàn ở 50°C (Kết quả thí nghiệm tại PTN Bộ môn Vật liệu - ĐHXD tháng 9/2012 trên các mẫu bê tông 70 ngày tuổi). Kết quả cho thấy xu hướng cường độ chịu nén tỷ lệ nghịch với độ bão hòa nước lỗ rỗng trong bê tông, có nghĩa là khi bê tông ẩm thì cường độ giảm. Trong bê tông, nước còn đóng vai trò chất điện ly, là môi trường hòa tan các chất có trong không khí và để các ion dịch chuyển đến catod và anod, như vậy, có thể thấy các quá trình các chất có hại tấn công xi măng hoặc cốt thép trong bê tông chỉ có thể xảy ra khi có sự xuất hiện của nước lỗ rỗng trong bê tông. Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, trong điều kiện bình thường độ ẩm không khí dao động theo mùa biến thiên trong khoảng từ 60%-90%. Sự cân bằng giữa độ ẩm tương đối và mức độ bão hòa nước lỗ rỗng trong bê tông diễn ra tuân theo định luật Kenvin – Laplace cho thấy với diễn biến độ ẩm trên, các lỗ rỗng trong bê tông luôn có chứa nước ở pha lỏng. Hình 2. Phản ứng cacbonat hóa xi măng xảy ra khi có mặt của nước lỗ rỗng. Khả năng di chuyển của nước, khí và các chất hòa tan trong nước hoàn toàn phụ thuộc vào đặc tính môi trường rỗng của bê tông như độ rỗng, nhóm và phổ phân bố đường kính lỗ rỗng, sự kết nối giữa các lỗ rỗng, và độ vòng vèo của lỗ rỗng. Ở tấm BTXM mặt đường ô tô, sự khác nhau về đặc tính môi trường rỗng trong bê tông còn dẫn tới những đặc trưng khác nhau về hệ số truyền nhiệt. Năng lượng mặt trời làm cho các tấm BTXM nóng lên, giãn nở, phát sinh ứng suất nhiệt và gây nứt hoặc phá hoại mỏi cho tấm, ngoài ra, sự nóng lên của tấm BTXM kích
14 thích sự lan truyền của các pha lỏng và pha khí trong bê tông, kích thích các phản ứng hóa học trong bê tông (nếu có) diễn ra nhanh hơn theo cơ chế nhiệt động học. Như vậy, cường độ và độ ổn định của tấm BTXM mặt đường ô tô phụ thuộc rất lớn vào các thông số môi trường rỗng, đặc biệt là khả năng chống lại sự thâm nhập của nước và khí vào trong bê tông. Ở Việt Nam, do nhiều yếu tố khách quan, chúng ta mới chủ yếu quan tâm đến các thông số về cường độ khi thiết kế và sử dụng bê tông. Xu hướng tăng cường độ bền vững thông qua những quy định ràng buộc về môi trường rỗng đối với bê tông còn ít được đề cập đến. Những thay đổi trong tấm bê tông do nhiệt độ và độ ẩm môi trường, cùng với sự tấn công của các chất gây hại làm cho tấm bê tông xi măng mặt đường ô tô suy giảm cường độ theo thời gian. Vậy cần phải tìm hiểu đặc điểm môi trường rỗng trong BTXM mặt đường ô tô để có những giải pháp chế ngự các tác động bất lợi. Với lý do này, học viên lựa chọn đề tài để nghiên cứu là “ Xác định độ rỗng hở và hệ số thấm nước nội tại trong bê tông xi măng mặt đường ô tô sử dụng cấp phối thông thường”. 2. Mục đích nghiên cứu: Xác định độ rỗng hở và hệ số thấm nước nội tại trong bê tông xi măng mặt đường ô tô khi sử dụng cấp phối thông thường, nhằm đưa ra các đánh giá khoa học làm cơ sở cho việc thiết kế, thi công, khai thác giúp nâng cao tuổi thọ của tấm BTXM mặt đường ô tô. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu : Vật liệu và bê tông đáp ứng với yêu cầu của bê tông XM mặt đường ô tô. Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong các mẫu bê tông sử dụng sản phẩm xi măng của nhà máy Nghi Sơn- Thanh Hóa.
15 4. Phương pháp nghiên cứu: 4.1. Nghiên cứu lý thuyết: - Thiết kế thành phần cấp phối đặc trưng để tiện so sánh - Tính toán một số đặc trưng môi trường rỗng của bê tông 4.2. Nghiên cứu thực nghiệm: - Thí nghiệm đánh giá, điều chỉnh cấp phối đã thiết kế. - Thí nghiệm xác định một số đặc trưng của môi trường rỗng trong bê tông xi măng 4.3. Mô phỏng bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn: - Làm rõ mối quan hệ giữa các tham số dựa trên các phương trình vật lý để xác định hệ số thấm nước nội tại trong bê tông. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn : Trong các quy trình của Việt Nam hiện nay, chúng ta chưa đề cập nhiều đến bài toán tính toán tuổi thọ của công trình bê tông và bê tông cốt thép. Một số tài liệu cũng mới chỉ nêu ra ước định thời gian phục vụ của công trình, ví dụ với mặt đường bê tông xi măng là 20 năm, đối với cầu lớn là 100 năm… mà chưa chỉ rõ mối quan hệ giữa thời hạn phục vụ này với các tham số thiết kế về vật liệu. Việc làm rõ một số đặc trưng của môi trường rỗng như độ rỗng hở, hệ số thấm nước nội tại sẽ góp phần từng bước hoàn chỉnh bài toán tính toán tuổi thọ công trình có kể đến các đặc tính lỗ rỗng của bê tông. Với các mục tiêu trên, nội dung của luận văn bao gồm 4 chương: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về thành phần hóa lý của xi măng, yêu cầu về vật liệu cho BTXM dùng trong mặt đường ô tô. Tìm hiểu thêm về tính bền vững của BTXM và các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của mặt đường BTXM. Chương 2: Tổng hợp và so sánh sơ bộ các phương pháp thiết kế thành phần cấp phối bê tông của Việt Nam và một số nước trên thế giới nhằm đánh giá bao quát về việc lựa chọn cấp phối hợp lý theo nhiều quan điểm. So sánh về thực nghiệm hai phương pháp thiết kế thành phần cấp phối BTXM của Việt Nam và
16 Anh sẽ được đưa ra nhằm tìm hiểu đặc điểm của từng phương pháp và vận dụng để lựa chọn cấp phối bê tông xi măng phù hợp với mặt đường ô tô. Chương 3: Xác định các chỉ tiêu cơ lý của các bê tông để đánh giá sự phù hợp với yêu cầu của mặt đường ô tô. Một số kết quả thực nghiệm sẽ cung cấp số liệu đầu vào cho việc mô hình hóa trên máy tính trong chương 4, giúp cho việc xác định hệ số thấm nước nội tại của bê tông trong một số trường hợp. Thí nghiệm độ rỗng hở và khả năng thấm nước của bê tông sẽ cho thấy đặc trưng về độ rỗng của bê tông xi măng mặt đường ô tô sử dụng cấp phối thông thường. Chương 4: Thông qua phân tích cơ chế truyền ẩm trong bê tông, tổng hợp kết quả nghiên cứu đã có trên thế giới để ứng dụng giải bài toán truyền ẩm trong bê tông và xác định hệ số thấm nước nội tại. Đây là hệ số tổng hợp đánh giá khả năng lan truyền khí và nước trong bê tông, giúp phân biệt đặc trưng môi trường rỗng của các loại bê tông khác nhau và cho phép kết hợp với các nghiên cứu khác để hướng tới đánh giá toàn diện tính bền vững và tuổi thọ của mặt đường BTXM chịu tác động của các nhân tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và các chất có hại. Chương 5: Kết luận. Thông qua nội dung nghiên cứu ở các chương trước, học viên rút ra các kết luận quan trọng đạt được, những vấn đề tồn tại chưa được làm rõ, và những dự định nghiên cứu tiếp theo có thể tiếp tục phát triển của luận văn.
17 Chương I. Nghiên cứu tổng quan I.1 Tổng quan về vật liệu xi măng I.1.1 Nguồn gốc của xi măng Bê tông làm từ hỗn hợp vôi và pozzolan được sử dụng lần đầu tiên bởi người Macedonia cổ đại. Ba thế kỷ sau, các kỹ sư La Mã đã sử dụng rộng rãi bê tông này với sự kết hợp cả hai loại pozzolan tự nhiên (tro núi lửa) và nhân tạo (đất, gốm) để xây dựng các công trình kiến trúc đồ sộ như mái vòm Đền thờ La Mã (Pantheon in Rome) …điều đặc biệt là các công trình này vẫn tồn tại cho đến ngày nay. Các loại xi măng hiện đại bắt đầu được phát triển mạnh từ cuộc cách mạng công nghiệp (khoảng năm 1800) xuất phát từ nhu cầu vữa xi măng để hoàn thiện các tòa nhà gạch ở vùng khí hậu ẩm ướt : bê tông để xây dựng các công trình bến cảng trong khu vực tiếp xúc với nước biển. Tại Anh, bắt đầu từ những năm 1870, James Parker đã phát minh ra một loại xi măng tự nhiên khác biệt với xi măng người La Mã đã sử dụng bằng cách nung trầm tính đất sét có chứa khoáng sét và calcium carbonate, nghiền thành bột mịn, sau đó trộn với cát tạo thành vữa. Từ sự thành công này, các nhà sản xuất khác đã tiếp tục nghiên cứu, tạo ra các sản phẩm cạnh tranh bằng cách đốt cháy đất sét và hỗn hợp đá phấn nhân tạo. Quá trình nghiên cứu, ứng dụng và phát triển xi măng được tiếp tục tại Anh với những đóng góp của Eddystone Lighthouse, Louis Vicat đầu thế kỷ 19. Năm 1824, Joseph Aspdin được cấp bằng sáng chế một loại xi măng tương tự được gọi là xi măng Portland. Từ cuối thế kỷ 19 trở lại đây, việc sử dụng BTXM trong xây dựng được phát triển mạnh. Do nhiều đặc tính thuận lợi (cường độ, chi phí, tính dễ thi công…) nên xi măng ngày nay được sử dụng như vật liệu chính trong xây dựng công trình dân dụng nói chung và trong xây dựng hạ tầng giao thông vận tải nói riêng.
18 I.1.2 Thành phần hóa khoáng của xi măng Xi măng Poóc lăng là một loại chất kết dính vô cơ rắn trong nước, sản xuất bằng phương pháp nung hỗn hợp đá vôi và đất sét với một tỷ lệ thích hợp đến nhiệt độ thiêu kết thành clanhke rồi nghiền nhỏ cùng với một lượng nhỏ thạch cao. Thành phần của xi măng gồm có: - Clinker xi măng - Thạch cao - Phụ gia khoáng: - Phụ gia khoáng hoạt tính: tro bay, xỉ lò cao… - Phụ gia trơ: bột đá vôi, cát thạch anh… Bốn thành phần chính tạo nên clinker được thể hiện trong Bảng 1 dưới đây : Bảng 1. Các thành phần chính tạo nên Clinker Tên khoáng Ký hiệu Công thức Hàm lượng Tricanxi silicat C3S 3CaO .SiO2 37÷60% Bicanxi silicat C2S 2CaO .SiO2 15÷37% Tricanxi aluminat C3A 3CaO .Al2O3 7÷15% Tetra canxi aluminat fero C4AF 4CaO .Al2O3 .Fe2O3 10÷18% Khi trộn nước với bột xi măng sẽ xảy ra quá trình thủy hóa tạo hồ xi măng và hình thành môi trường lỗ rỗng giữa pha rắn của các hạt xi măng đã thủy hóa và chưa thủy hóa. Tính chất và tác dụng của từng thành phần khoáng vật chủ yếu trên như sau: - C3S thành phần quan trọng nhất, chiếm tỉ lệ cao nhất, có cường độ cao, rắn chắc nhanh và phát nhiều nhiệt. Trong xi măng tỉ lệ C3S chiếm càng nhiều, chất lượng xi măng càng cao và được gọi là xi măng Alit. Tuy nhiên, hàm lượng này làm cho xi măng kém bền trong môi trường - C2S - có cường độ cao, rắn chắc chậm trong thời kỳ đầu, nhưng cường độ vẫn tiếp tục phát triển rõ rệt hơn trong thời kỳ sau.
19 - Nếu tỉ lệ C2S chiếm nhiều hơn thì được gọi là xi măng Belit. Loại xi măng này cho tính bền trong môi trường cao hơn so với xi măng chứa khoáng C3S. - C3A - thành phần này rắn rất nhanh trong thời gian đầu nhưng cường độ thấp, nhiệt lượng phát ra nhiều nhất, dễ gây nứt nẻ. Nếu hàm lượng C3A chiếm nhiều, thì được gọi là xi măng Aluminát. Loại xi măng này rất kém bền trong các môi trường đặc biệt là môi trường sun phát. - C4AF - rắn tương đối nhanh, cường độ phát triển trung bình và phát triển rõ rệt trong thời kỳ sau. Loại khoáng này có khối lượng riêng lớn nhất trong xi măng khoảng 3,77g/cm3 - MgO tồn tại ở dạng tinh thể tự do, thủy hóa rất chậm (kéo dài đến vài năm) và khi chuyển thành Mg(OH)2 thì gây trương nở thể tích nên nếu hàm lượng MgO lớn hơn 5% sẽ gây mất ổn định thể tích của xi măng. - CaO tự do ở dạng hạt, thường có trong clanhke mới nung xong. Hàm lượng CaO cũng không được vượt quá 1% vì gây trương nở thể tích xi măng. - Các oxýt Na2O, K2O cũng cần khống chế chặt chẽ thành phần khi sử dụng với cốt liệu có chứa oxyt silic vô định hình. Thành phần khoáng vật của clanhke có liên quan trực tiếp đến các tính chất cơ lý chủ yếu của xi măng. Sự thủy hóa của C3S và C3A diễn ra rất nhanh và hầu như không diễn ra sau 28 ngày tuổi. Ngược lại, C2S và C4AF diễn ra trong nhiều tháng, thậm chí nhiều năm. Như vậy, sự thủy hóa xi măng phụ thuộc chính vào C3S và C3A. Các sản phẩm thủy hóa chính thông thường gồm C-S-H và portlandite Ca(OH)2. Điều đó lý giải tại sao chúng ta thường lấy mốc 28 ngày tuổi để đánh giá cường độ của BTXM. Các thành phần tham gia trong xi măng có ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính của bê tông như cường độ chịu kéo nén, tốc độ hình thành cường độ, tính ổn định thể tích, đặc tính môi trường rỗng trong bê tông… Sự lựa chọn xi măng phải xét đến các đặc tính của từng loại xi măng theo sự phù hợp của mục đích sử dụng và môi trường khai thác, ví dụ các loại xi măng bền sulphat cho môi trường xâm thực…
20 I.1.3 Nguồn cung cấp xi măng trên thị trường Việt Nam Trong hơn 20 năm qua, ngành xi măng Việt Nam đã trải qua những biến cố theo quy luật cung-cầu. Khoảng năm 1980, chúng ta thiếu xi măng, nhưng cho đến thời điểm này, chúng ta lại thừa xi măng do ảnh hưởng của những diễn biến bất thường của kinh tế thế giới, đất nước phải thắt chặt tín dụng, cắt giảm đầu tư công, khiến mức tăng về nhu cầu xây dựng giảm. Tình trạng đó đã làm cho các nhà sản xuất xi măng gặp nhiều khó khăn. Là ngành sản xuất vật liệu xây dựng không quá khó khăn, phức tạp, nước ta lại có nhiều nguồn nguyên liệu nên hoạt động sản xuất xi măng thời gian qua phát triển khá mạnh. Nếu năm 2005 cả nước có chưa đến 40 nhà máy xi măng thì nay đã nâng lên 65 nhà máy. Đến cuối năm 2011, tổng công suất các dây chuyền sản xuất xi măng của cả nước là 65,5 triệu tấn, các nhà máy sản xuất ước đạt 55 triệu tấn. Như vậy, công suất hiện có đã được khai thác tới 86%. Theo đó năm qua, cả nước tiêu thụ nội địa xấp xỉ 50 triệu tấn xi măng, giảm 1 triệu tấn, nhưng đã giảm nhập khẩu clinker từ 2 triệu tấn năm 2010 xuống còn 1,2 triệu tấn năm 2011. Với lợi thế là một trong những nước có sản lượng xi măng hàng đầu thế giới. Theo tính toán chung, với việc duy trì mức tăng trưởng từ 7-8%/ năm như giai đoạn 2005-2010, mỗi năm nước ta chỉ tiêu thụ hết 55-60 triệu tấn xi măng, nhưng hiện nay chỉ những nhà máy đã sản xuất và chuẩn bị khánh thành công suất đã vượt 65 triệu tấn. Đến năm 2020, dự báo nước ta sẽ sản xuất khoảng 100 triệu tấn xi măng/năm. Ở phía Bắc có thể kể đến hàng loạt nhà máy đang đi vào hoạt động ổn định và có thị phần lớn như xi măng Hoàng Thạch, Chinphong, Bút Sơn, Bỉm Sơn, Nghi Sơn. Do sản xuất vượt khả năng tiêu thụ nên dư thừa là điều đương nhiên, kể cả khi không chịu ảnh hưởng suy thoái kinh tế. Hiện tại và trong những năm tiếp theo, sử dụng xi măng trong hạ tầng giao thông đang được Chính phủ và nhiều địa phương khuyến khích theo nhiều cơ chế nhằm hạn chế tối đa của khủng hoảng thừa xi măng.