ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGUYỄN VĂN HIỆP NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT NGHIỀN THAY THẾ CÁT THIÊN NHIÊN TRONG BÊ TÔNG MẶT ĐƯỜNG TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN PHÚ LỘC, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 60.58.02.05
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG
Đà Nẵng - năm 2019
Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Người hướng dẫn khoa học: TS. HUỲNH PHƯƠNG NAM
Phản biện 1:
PGS.TS. Châu Trường Linh
Phản biện 2:
TS. Nguyễn Văn Tươi
Luận văn được vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày21 tháng 12 năm 2019.
Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách Khoa
- Thư viện Trường Đại học Bách Kkhoa - ĐHĐN
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài Cát là một trong những vật liệu chủ yếu được dùng trong công trình xây dựng dân dụng, giao thông, thủy lợi, hạ tầng kỹ thuật... Trong thời gian qua, với tiến trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, hàng năm ngành xây dựng cần đến hàng trăm triệu tấn cát vàng để phục vụ xây dựng và phát triển hạ tầng. Trong khi đó, nguồn cát thiên nhiên ngày càng cạn kiệt và khan hiếm một cách nghiêm trọng, bên cạnh việc khai thác cát thiên nhiên một cách tích cực, hiện nay tình trạng khai thác trái phép gây sạt lở và ô nhiễm môi trường, chất lượng cát xây không còn đảm bảo do trữ lượng cát theo các mỏ quy hoạch không đáp ứng nhu cầu sử dụng.
Cát xây dựng trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế nói chung và huyện Phú Lộc nói riêng hiện đang được khai thác chủ yếu dưới các lòng sông vì kích thước hạt lớn, chất lượng tốt, được sử dụng làm cát bê tông, xây, trát. Tuy nhiên, theo cảnh báo, nếu khai thác nhiều, không có quy hoạch sẽ ảnh hưởng tới dòng chảy, đất đai và môi trường [1]. Thực tế trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế do nguồn cát khan hiếm nên giá thị trường tăng đột biến làm ảnh hưởng lớn đến quá trình đầu tư xây dựng, đặc biệt là những tháng đầu năm 2019. Chính vì vậy, thời gian gần đây, tỉnh và các cơ quan liên quan thông qua Sở xây dựng đã đẩy mạnh hoạt động kiểm soát khai thác cát trên các con sông và đưa ra những giải pháp nhằm thay thế vật liệu cát với mục tiêu đảm bảo trong công tác đầu tư xây dựng trên địa bàn.
Để giải quyết vấn đề này, sản xuất và sử dụng cát nhân tạo đang được coi là giải pháp tối ưu. Hầu hết các chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng đều thừa nhận tính ưu việt của cát nhân tạo. Khi sử dụng phương pháp này, nó sẽ giải quyết được bài toán thiếu cát thiên nhiên mà vẫn đảm bảo chất lượng công trình; mặt khác, khi sử dụng cát nghiền thay
2
thế cát tự nhiên nó còn có những ưu điểm như: hạt cát đồng đều hơn, nguồn vật liệu có trữ lượng lớn, có thể điều chỉnh mô đun và tỷ lệ thành phần hạt theo từng yêu cầu cấp phối cho các loại bê tông khác nhau (như bê tông asphalt, bê tông xi măng, bê tông đầm lăn, bê tông mác cao ...). Loại cát này cũng cho phép tiết kiệm xi măng, nhựa đường, rút ngắn thời gian thi công và tăng tuổi thọ công trình; đặc biệt giảm thiểu việc hao mòn đối với kết cấu mặt đường bê tông xi măng vốn là vấn đề đang tồn tại và chưa xử lý dứt điểm trên địa bàn.
Chính vì lý do trên học viên chọn đề tài: “Nghiên cứu sử dụng cát nghiền thay thế cát thiên nhiên trong bê tông mặt đường trên địa bàn huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên Huế” nhằm đề xuất việc dùng cát nghiền thay thế cát thiên nhiên cho các công trình sử dụng bê tông xi măng nói chung và cho kết cấu mặt đường bê tông nông thôn nói riêng trên địa bàn huyện Phú Lộc.
2. Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu chung: Sử dụng cát nghiền thay thế cát tự nhiên trong
mặt đường bê tông xi măng.
- Mục tiêu cụ thể: đánh giá lựa chọn loại cát nghiền phù hợp và
đề xuất cấp phối hợp lý để chế tạo mặt đường bê tông xi măng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Cát nghiền từ đá được khai thác từ mỏ
đá Thừa Lưu, huyện Phú Lộc; bê tông xi măng sử dụng cát nghiền.
- Phạm vi nghiên cứu: Bê tông xi măng cho đường nông thôn theo công nghệ đầm rung thông thường, cường độ chịu nén tới 30 MPa.
4. Phương pháp nghiên cứu Trong luận văn này, các phương pháp nghiên cứu sau được sử
dụng:
- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: + Nghiên cứu tài liệu trong và ngoài nước về các vấn đề có liên quan, tổng kết các kinh nghiệm thu được từ các dự án thực tế đã sử
3
dụng cát nghiền tại Việt Nam.
+ Nghiên cứu lý thuyết thiết kế cấp phối bê tông - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: sử dụng phương pháp thí nghiệm trong phòng để xác định các tính chất và chỉ tiêu cơ lý của vật liệu cát nghiền, đá dăm, xi măng và bê tông. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Nghiên cứu cở sở lý luận và tính hiệu quả để việc sử dụng vật liệu địa phương, góp phần đa dạng và phong phú các loại vật liệu để chế tạo bê tông đường.
- Ý nghĩa thực tiễn của dự án là nghiên cứu vật liệu thay thế cát
lòng sông đáp ứng yêu cầu cấp bách của xã hội hiện nay.
6. Cấu trúc nội dung luận văn Mở đầu Chương 1. Tổng quan về mặt đường bê tông xi măng và bê
tông xi măng sử dụng cát nghiền
CHƯƠNG 2: Vật liệu chế tạo bê tông xi măng và kế hoạch
thực nghiệm
Chương 3: Nghiên cứu sử dụng cát nghiền thay thế cát thiên
nhiên trong bê tông mặt đường
Kết luận và kiến nghị
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG VÀ BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG CÁT NGHIỀN
1.1. MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG
1.1.1. Cấu tạo và yêu cầu kỹ thuật đối với mặt đường bê tông
xi măng
Bê tông xi măng (BTXM) là loại vật liệu đá nhân tạo nhận được sau
a, Ưu điểm của mặt đường BTXM: b, Nhược điểm của mặt đường BTXM.
4
c, Các cấp quy mô giao thông d, Thiết kế mặt đường BTXM thông thường gồm các nội dung
sau:
e, Yêu cầu chung đối với việc thiết kế mặt đường BTXM thông
thường
f, Các chỉ tiêu cơ lý yêu cầu đối với BTXM 1.1.2. Tình hình sử dụng mặt đường bê tông trên thế giới và
trong nước
1.1.2.1. Tình hình sử dụng trên thế giới 1.1.2.2. Tình hình sử dụng ở Việt Nam 1.1.3.2. Mạng lưới giao thông trên địa bàn huyện Phú Lộc a. Quốc lộ b. Tỉnh lộ c. Đường huyện d. Đường xã 1.1.4. Tổng quan về bê tông sử xi măng sử dụng cát nghiền và
tình hình sử dụng ở các nước trên thế giới và ở Việt Nam 1.2. NGUỒN VẬT LIỆU ĐỂ PHỤC VỤ VIỆC SẢN XUẤT CÁT NGHIỀN TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN PHÚ LỘC TỈNH THỪA THIÊN HUẾ 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Việc nghiên cứu và sử dụng cát nghiền thay thế cho nguồn cát tự nhiên đang dần cạn kiệt đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới, các kết đạt được đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật cho bê tông.
Tại Việt Nam cát nghiền cho bê tông đã được nghiên cứu và sử dụng trong nhiều công trình đập trọng lực tại các vùng thiếu cát tự nhiên đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và đạt được hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao. Chính vì vậy, với trữ lượng đá ở địa phương, việc nghiên cứu sử dụng cát nghiền cho mặt đường bê tông xi măng tại huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên Huế là hợp lý.
5
CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG VÀ KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM 2.1. ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU TỚI TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG
2.1.1. Ảnh hưởng của cát nghiền đến tính chất của bê tông 2.1.2. Ảnh hưởng của đá xi măng 2.1.3. Ảnh hưởng của cốt liệu (đá dăm và cát tự nhiên) 2.1.4. Các phương pháp tính toán a. Khái niệm b. Các phương pháp tính toán cấp phối bê tông [3] Phương pháp 1: Phương pháp tra bảng hoàn toàn Phương pháp 2: Phương pháp thực nghiệm hoàn toàn Phương pháp 3: Phương pháp tính toán kết hợp thực nghiệm
2.2. Thí nghiệm tính chất cơ lý của vật liệu chế tạo bê tông xi măng 2.2.1. Xi măng
Bảng 2.5. Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng PCB40 Đồng Lâm
STT Các chỉ tiêu thí nghiệm
Độ mịn (lượng sót trên sàng 0.09mm) (%) Theo TCVN 6260:2009 <10 - 1 2 Độ dẻo tiêu chuẩn (%) 3
Thời gian đông kết (phút): - Bắt đầu: - Kết thúc: ≥ 45 ≤ 420 ≤ 10
4 Độ ổn định thể tích theo PP Le Chatelier (mm) 5 Khối lượng riêng (g/cm3) 6 Cường độ nén ( MPa)
- 3 ngày - 28 ngày Kết quả thí nghiệm 5,89 27,1 113 210 6,45 3,1 19,2 42,5 ≥ 18 ≥ 40
2.2.2. Đá dăm
Bảng 2.6. Các chỉ tiêu kỹ thuật của đá dăm tự nhiên
STT Các chỉ tiêu thí nghiệm
1 Khối lượng thể tích (g/cm3): 2 Khối lượng thể tích xốp (g/cm3): 3 Độ khe hở (%): 4 Hàm lượng hạt mềm yếu và phong hoá (%): Kết quả thí nghiệm 2,7 1,43 47,04 0,6
6
STT Các chỉ tiêu thí nghiệm
5 Hàm lượng bụi sét (%): 6 Hàm lượng thoi dẹt (%): 7 Độ nén dập trong xi lanh (%): 8 Độ hao mòn Los Angeles (%): 9 Đường kính lớn nhất Dmax (mm): 10 Đường kính nhỏ nhất Dmin (mm): Kết quả thí nghiệm 0,48 5,85 17,21 23,98 40 10
Bảng 2.7. Bảng thành phần hạt của đá dăm tự nhiên CẤP PHỐI CỠ HẠT
Lượng sót trên từng sàng
Cỡ sàng (mm) 70 40 20 10 <10 (g) 0,0 265,5 6987,0 5935,0 354,0 (%) 0,00 1,96 51,60 43,83 2,61 Lượng sót tích luỹ (%) 0,00 1,96 53,56 97,39 100,00
Hình 2.1. Biểu đồ thành phần hạt của đá dăm
Kết quả thí nghiệm đá dăm lấy từ mỏ đá Dầm cho thấy các chỉ
tiêu hàm lượng hạt thoi dẹt 5,85%, hàm lượng bụi sét 0,48% và hàm
lượng hạt mềm yếu, phong hóa là 0,6% đều thỏa mãn yêu cầu theo tiêu
chuẩn TCVN 7570:2006.
2.2.3. Cát nghiền
Bảng 2.8. Các chỉ tiêu kỹ thuật của cát nghiền
STT Các chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị
1 2 3 Khối lượng riêng Khối lượng thể tích xốp Độ khe hở (g/cm3) (g/cm3) (%) Kết quả thí nghiệm Cát nghiền 2,67 1,45 45,69
7
STT Các chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị
4 5 6 Hàm lượng bụi sét Hàm lượng hạt trên 5mm Mô đun độ lớn: (%) (%) Kết quả thí nghiệm Cát nghiền 0,24 1,06 2,84
Bảng 2.9. Thành phần hạt của cát nghiền Thành phần hạt của cát xay
Cỡ sàng (mm) 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 <0,14 Lượng sót trên từng sàng, % Cát nghiền 6,56 34,02 21,50 17,49 16,16 4,28 Lượng sót tích luỹ, % Cát nghiền 6,56 40,57 62,07 79,56 95,72 100,00
Hình 2.3. Biểu đồ thành phần hạt của cát xay
Kết quả thí nghiệm cho thấy, cát nghiền sử dụng trong nghiên
cứu có mô đun độ lớn 2,84.
2.2.5. Cát sông
Kết quả thí nghiệm được trình bày ở bảng 2.10 và bảng 2.11
8
Bảng 2.10. Các chỉ tiêu kỹ thuật của cát sông
STT Các chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị
1 Khối lượng riêng 2 Khối lượng thể tích xốp 3 Độ khe hở 4 Hàm lượng bụi sét 5 Hàm lượng hạt trên 5mm 6 Mô đun độ lớn:
(g/cm3) (g/cm3) (%) (%) (%)
Kết quả thí nghiệm Cát sông 2,66 1,42 46,45 1,06 0 2,87
Bảng 2.11. Thành phần hạt của cát cát sông Thành phần hạt của cát sông
Cỡ sàng Lượng sót trên từng sàng, %
(mm) 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 <0,14
Cát sông 10,37 20,96 28,15 30,45 5,67 4,41
Lượng sót tích luỹ, % Cát sông 10,37 31,32 59,47 89,92 95,59 100,00
Hình 2.4. Biểu đồ thành phần hạt của cát sông
2.3. YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ
TÔNG XI MĂNG
2.3.1. Cát tự nhiên chế tạo bê tông và vữa (TCVN 7570:2006)
[13]
9
Bảng 2.1. Thành phần hạt cát
Lượng sót tích lũy trên sàng, % khối lượng Kích thước lỗ sàng
Cát thô Từ 0 đến 20 Từ 15 đến 45 Từ 35 đến 70 Từ 65 đến 90 Từ 90 đến 100 Cát mịn 0 Từ 0 đến 15 Từ 0 đến 35 Từ 5 đến 65 Từ 65 đến 90
10 35 2,5 mm 1,25 mm 630 m 315 m 140 m Lượng qua sàng 140 m, không lớn hơn
2.3.2. Cát nghiền chế tạo bê tông và vữa (TCVN 9205-2012) [16]
Bảng 2.2. Thành phần hạt cát nghiền
Lượng sót tích lũy trên sàng, % khối lượng
Kích thước lỗ sàng
Cát thô Từ 0 đến 25 Từ 15 đến 50 Từ 35 đến 70 Từ 65 đến 90 Từ 80 đến 95
Cát mịn 0 Từ 0 đến 15 Từ 5 đến 35 Từ 10 đến 65 Từ 65 đến 85
2,5 mm 1,25 mm 630 m 315 m 140 m
2.3.3. Cốt liệu lớn (TCVN 7570:2006) [13]
5-70 0 0-10 40-70
Bảng 2.3. Thành phần hạt của cốt liệu lớn Lượng sót tích lũy trên sàng, % theo khối lượng, ứng với kích thước hạt cốt liệu nhỏ nhất và lớn nhất 10-70 0 0-10 40-70 …
10-40 − 0 0-10 40-70 90-100 90-100
5-40 − 0 0-10 40-70 … …
5-10 − − − 0 0-10
Kích thước lỗ sàng, mm 100 70 40 20 10 5
5-20 − − 0 0-10 40-70 … 90-100 90-100 90-100 90-100
20-70 0 0-10 40-70 90-100 − −
−
−
2.3.4. Nước chế tạo bê tông (TCVN 4506 : 2012) [10]
2.3.5. Phụ gia trong xây dựng (TCVN 8826:2011) [11]
2.3.6. Xi măng
Bảng 2.4. Yêu cầu kỹ thuật đối với xi măng pooc lăng hỗn hợp [8]
10
Tên chỉ tiêu
22 50 14 30
Mác PCB30 PCB40 PCB50 18 40 45 420 10 2800
10
1. Cường độ nén, MPa, không nhỏ hơn: - 3 ngày ± 45 phút - 28 ngày ± 8 giờ 2. Thời gian đông kết, phút - Bắt đầu, không nhỏ hơn - Kết thúc, không muộn hơn 3. Độ nghiền mịn, xác định theo - Phần còn lại trên sàng kích thước lỗ 0,09mm, %, không lớn hơn - Bề mặt riêng, phương pháp Blaine, cm2/g, không nhỏ hơn 4. Độ ổn định thể tích, xác định theo phương pháp Le Chatelier, mm, không lớn hơn 5. Hàm lượng anhydric sunphuric (SO3), %, không lớn hơn 6. Độ nở autoclave, %, không lớn hơn 3,5 0,8
2.4. KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM
2.4.1. Cấp phối bê tông Thành phần cấp phối cho 1 m3 bê tông được thể hiện ở Bảng 2.10.
Bảng 2.10. Thành phần cấp phối cho 1 m3 bê tông
Lượng dùng vật liệu, (kg/m3) Tỉ lệ thay thế %
Kí hiệu cấp phối Tỉ lệ N/X Cát xay/cát sông Nước Đá dăm Cát xay
CX0 CX20 CX40 CX60 CX80 CX100 Xi măng 350 350 350 350 350 350 178 178 178 178 178 178 836,8 836,8 836,8 836,8 836,8 836,8 Cát sông 494 395,2 296,4 197,6 98,8 0,0 0,509 0,509 0,509 0,509 0,509 0,509 0,0 98,8 197,6 296,4 395,2 494 0 20 40 60 80 100
2.3.2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén [15]
Quy trình xác định cường độ chịu nén của bê tông tuân theo tiêu
chuẩn TCVN 3118:2011.
Công thức xác định cường độ chịu nén của bê tông.
Rn= P/F ( MPa )
Trong đó: P- Tải trọng phá hoại mẫu (N )
F- diện tích chịu lực của viên mẫu ( mm2 )
2.3.3. Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi uốn
11
Cường độ chịu kéo khi uốn được xác định trên các mẫu dầm kích
thước 150x150x600mm với mỗi loại cấp phối được thí nghiệm 1 tổ
mẫu.
Cường độ chịu kéo khi uốn của từng mẫu dầm bê tông được xác
định theo công thức:
, MPa
Rku = γ.Pku.l/(a.b2)
2.3.4. Thí nghiệm xác định độ mài mòn của bê tông [18]
Độ mài mòn của bê tông được xác định theo công thức:
; (g/cm2)
Mm = (M0 – M4)/F
Độ mài mòn của bê tông và trung bình số học của 3 kết quả trên
3 mẫu thí nghiệm khi các kết quả lớn và nhỏ không lệch quá 15% so
với kết quả của viên trung bình. Nếu sai lệch vượt quá 15% thì bỏ cả 2
kết quả lớn và nhỏ. Độ mài mòn bê tông sẽ là kết quả thử của viên
trung bình còn lại.
Một số hình ảnh thí nghiệm như sau:
Hình 2.5. Lấy cát nghiền tại trạm
Hình 2.6. Rửa cát nghiền tại
xay đá
trạm xay
Hình 2.7. Dưỡng hộ mẫu bê tông
Hình 2.8. Mẫu bê tông ở các
trong bể ngâm
ngày tuổi
12
Hình 2.9. Nén mẫu bê tông
Tên chỉ tiêu
Bảng 3.1: Bảng tổng hợp số lượng mẫu thử Tuổi mẫu (ngày) 14 18 - -
Kích thước mẫu (cm) 15x15x15 15x15x60 5x5x5 7 18 - - 28 18 18 18 Cường độ chịu nén Cường độ chịu kéo khi uốn Độ mài mòn Tổng số mẫu 54 18 18
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Các kết quả thí nghiệm cho thấy chất lượng vật liệu đầu vào để
chế tạo bê tông đều đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật. Các chỉ tiêu cường
độ chịu nén, cường độ chịu kéo khi uốn và độ mài mòn của bê tông
được trình bày ở chương 3.
CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÁT NGHIỀN THAY THẾ CÁT
THIÊN NHIÊN TRONG BÊ TÔNG MẶT ĐƯỜNG
3.1. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ CÁT XAY/CÁT
SÔNG ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG
3.1.1. Các tính chất của bê tông
3.1.1.1. Cường độ chịu nén của bê tông
a, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát xay/ cát sông là 0%
13
Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm cường độ nén của cấp phối CX0
Lượng dùng vật liệu, (kg/m3) Tỉ lệ thay thế (%) Kí hiệu tổ mẫu X N Đ CS Cx
350 178 836,8 494 0,0
CX0-1 CX0-2 CX0-3 Cx/CS 0 0 0 Cường độ chịu nén của tổ mẫu CP0 Cường độ chịu nén, (MPa), ở tuổi, ngày 14 31,11 31,33 30 30,81 7 29,78 29,56 28,44 29,26 28 33,24 33,33 33,11 33,27
b, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát xay/ cát sông là 20%
Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm cường độ nén của cấp phối CX20
Lượng dùng vật liệu, kg/m3 Kí hiệu tổ mẫu X N Đ CS Cx
350 178 836,8 395,2 98,8 CX20-1 CX20-2 CX20-3 Tỉ lệ thay thế % Cx/CS 20 20 20 Cường độ chịu nén của tổ mẫu CX20 Cường độ chịu nén, MPa, ở tuổi, ngày 14 33,33 32,18 32,67 32,73 7 29,78 29,56 30 29,78 28 36,36 35,56 36 35,97
c, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát xay/ cát sông là 40%
Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm cường độ nén của cấp phối CX40
Lượng dùng vật liệu, kg/m3 Kí hiệu tổ mẫu X N Đ CS Cx Cường độ chịu nén, MPa, ở tuổi, ngày 14 33,16 28 36,5 7 30,62 CX40-1
31,16 33,47 36,04 CX40-2 350 178 836,8 296,4 197,6
30,13 32,93 36,5 CX40-3 Tỉ lệ thay thế % Cx/CS 40 40 40 Cường độ chịu nén của tổ mẫu CX40 30,64 33,19 36,35
d, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát xay/ cát sông là 60%
Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm cường độ nén của cấp phối CX60
Lượng dùng vật liệu, kg/m3 Kí hiệu tổ mẫu X N Đ CS C1
350 178 836,8 197,6 296,4 Tỉ lệ thay thế % C1/CS 60 60 60 CX60-1 CX60-2 CX60-3 Cường độ chịu nén của tổ mẫu CX60 Cường độ chịu nén, MPa, ở tuổi, ngày 14 33,87 34,67 34,59 34,38 7 30,62 30 30,67 30,43 28 36,44 35,91 36,27 36,21
14
e, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát xay/ cát sông là 100%
Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm cường độ nén của cấp phối CX100
Lượng dùng vật liệu, kg/m3 Kí hiệu tổ mẫu X N Đ CS C1
350 178 836,8 0 494 CP6-1 CP6-2 CP6-3 Tỉ lệ thay thế % C1/CS 100 100 100 Cường độ chịu nén của tổ mẫu CX100 Cường độ chịu nén, MPa, ở tuổi, ngày 14 33,33 34 34,44 33,93 7 30,22 30,18 30,13 30,18 28 37,33 37,38 37,11 37,27
Tổng hợp giá trị cường độ nén của cả 5 cấp phối ở bảng 3.6
Bảng 3.6. Kết quả thí nghiệm cường độ nén của các cấp phối
Lượng dùng vật liệu, kg/m3 Kí hiệu tổ mẫu
Cx 0
X 350 CX0 350 CX20 350 CX40 CX60 350 CX100 350 N 178 178 178 178 178 CS Đ 494 836,8 836,8 395,2 98,8 836,8 296,4 197,6 836,8 197,6 294,4 494 0 836,8 Tỉ lệ thay thế % Cx/Cs 0 20 40 60 100 Cường độ chịu nén, MPa, ở tuổi, ngày 14 7 28 33,27 30,81 29,26 35,97 32,73 29,78 36,35 33,19 30,64 36,21 34,38 30,43 37,27 33,93 30,18
3.1.1.2. Sự phát triển cường độ bê tông theo thời gian
Hình 3.1. Biểu đồ cường độ nén của bê tông phát triển theo thời gian
15
3.1.1.3. So sánh cường độ chịu nén của các cấp phối bê tông
Hình 3.2. Biểu đồ cường độ nén của các cấp phối bê tông ở
tuổi 7, 14 và 28 ngày
3.1.2. Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông
a, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát xay/cát sông là 0%, ký hiệu CX0.
Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của bê tông CX0
Lượng dùng vật liệu, kg/m3 Tỉ lệ thay thế % Kí hiệu tổ mẫu X N Đ CS Cx Cường độ kéo uốn tổ mẫu, MPa Rku
350 178 836,8 494 0 4,09 CX0-1 CX0-2 CX0-3 Cx/CS 0 0 0 Cường độ kéo khi uốn, MPa, tuổi ngày 28 4,0 4,2 4,07
b, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát xay/cát sông là 20%, ký hiệu CX20
Bảng 3.8. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của bê tông CX20
Lượng dùng vật liệu, kg/m3 Tỉ lệ thay thế % Cường độ kéo uốn tổ mẫu, MPa Kí hiệu tổ mẫu
X N Đ CS Cx Cx/CS Rku
350 178 836,8 395,2 98,8 4,11 20 20 20 Cường độ kéo khi uốn, MPa, tuổi ngày 28 4,13 4,20 4,00 CX20-1 CX20-2 CX20-3
c, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát xay/cát sông là 40%, ký hiệu
CX40.
16
Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của bê tông CX40
Lượng dùng vật liệu, kg/m3 Tỉ lệ thay thế % Cường độ kéo uốn tổ mẫu, MPa Kí hiệu tổ mẫu
X N Đ CS Cx Rku
350 178 836,8 296,4 197,6 4,33 CX40-1 CX40-2 CX40-3 Cx/CS 40 40 40 Cường độ kéo khi uốn, MPa, tuổi ngày 28 4,27 4,33 4,40
d, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát xay/cát sông là 60%, ký hiệu
CX60
Bảng 3.10. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của bê tông CX60
Lượng dùng vật liệu, kg/m3 Kí hiệu tổ mẫu X N Đ CS Cx Cường độ kéo uốn tổ mẫu, MPa Rku
350 178 836,8 197,6 296,4 4,29 CX60-1 CX60-2 CX60-3 Tỉ lệ thay thế % Cx/CS 60 60 60 Cường độ kéo khi uốn, MPa, tuổi ngày 28 4,40 4,20 4,27
e, Cấp phối có tỷ lệ thay thế cát xay/cát sông là 100%, ký hiệu
CX100
Lượng dùng vật liệu, kg/m3 Kí hiệu tổ mẫu
Bảng 3.11. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của bê tông CX100 Cường độ kéo uốn tổ mẫu, MPa Rku
X N CS Cx Đ
350 178 836,8 0 494 4,18 Tỉ lệ thay thế % Cx/CS 100 100 100 Cường độ kéo khi uốn, MPa, tuổi ngày 28 4,20 4,27 4,07 CX100-1 CX100-2 CX100-3
Bảng 3.12. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của bê
tông
Lượng dùng vật liệu, kg/m3 Tỉ lệ thay thế % Kí hiệu tổ mẫu
CX0 CX20 CX40 CX60 CX100 X 350 350 350 350 350 N 178 178 178 178 178 Đ 836,8 836,8 836,8 836,8 836,8 CS 494 395,2 296,4 197,6 0 Cx 0 98,8 197,6 296,4 494 Cx/Cs 0 20 40 60 100 Cường độ kéo uốn tổ mẫu, MPa Rku 4,09 4,11 4,33 4,29 4,18
17
Hình 3.3. Biểu đồ cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông
Nhận xét kết quả thí nghiệm:
- Từ hình 3.3, nhận thấy cường độ chịu kéo khi uốn của các tổ
mẫu bê tông có sự thay đổi khi hàm lượng cát nghiền tăng lên, khoảng
dao động từ 4,09 MPa đến 4,33 MPa. Cụ thể, khi tăng hàm lượng cát
nghiền thì cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông có sự biến thiên
nhưng theo xu hướng tăng, nhưng khi tỷ lệ thay thế cát nghiền vượt quá
40% thì cường độ kéo uốn có xu hướng giảm. Giá trị cường độ chịu
kéo uốn lớn nhất khi tỷ lệ cát nghiền/cát sông là 40%.
3.1.3. Độ mài mòn của bê tông
Lượng dùng vật liệu, kg/m3 Kí hiệu tổ mẫu
Bảng 3.13. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm mài mòn của bê tông Độ mài mòn, g/cm2 Mm 0,2605 0,2592 0,2573 0,2582 0,257
Tỉ lệ thay thế % Cx/Cs 0 20 40 60 100 CS 494 395,2 296,4 197,6 0 Đ 836,8 836,8 836,8 836,8 836,8 Cx 0 98,8 197,6 296,4 494 N 178 178 178 178 178 X 350 350 350 350 350 CX0 CX20 CX40 CX60 CX100
Hình 3.4. Biểu đồ độ mài mòn của bê tông
18
Nhận xét kết quả thí nghiệm:
- Từ hình 3.4, nhận thấy độ mài mòn bề mặt của các tổ mẫu bê
tông có sự thay đổi khi hàm lượng cát nghiền thay đổi. Cụ thể, đối với
cấp phối bê tông sử dụng hoàn toàn cát tự nhiên có độ mài mòn 0,2605 g/cm2; khi tăng hàm lượng cát xay lên 20% và 40% thì độ mài mòn của bê tông giảm tương ứng. Nhưng nếu tăng hàm lượng cát xay vượt quá
40% thì độ mài mòn của bê tông tăng trở lại, tức khả năng chống mài
mòn của bê tông giảm.
3.2. LỰA CHỌN CẤP PHỐI TỐI ƯU
Nhận thấy, cát xay ở huyện Phú Lộc có trữ lượng lớn, cát có đặc
điểm mô đun độ lớn của cát lớn tương đương với cát tự nhiên, hàm
lượng bụi bẩn ít do trong quá trình nghiền có quy trình rửa cát, hạt đồng
đều và có góc cạnh. Từ các kết quả thí nghiệm cường độ nén, cường độ
kéo uốn và khả năng chống mài mòn của bê tông, ta thấy việc sử dụng
cát xay trong chế tạo bê tông xi măng cho đường là giải pháp đem lại
hiệu quả kinh tế xã hội.
Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông tối ưu ở tỷ lệ thay thế
40% cát xay (cấp phối CX40), lớn hơn mẫu sử dụng 100% cát tự nhiên
và 100% cát xay. Điều này hoàn toàn phù hợp với công bố nghiên cứu
của tác giả J.K.Kim. [20]
Theo quy định hiện hành, độ mài mòn của bê tông cho mặt
đường bê tông xi măng cao tốc cấp I, cấp II, cấp III phải không lớn hơn
0,3 g/cm2 và cho mặt đường bê tông xi măng cấp IV trở xuống không
lớn hơn 0,6 g/cm2. Kết quả thí nghiệm độ mài mòn cho thấy các cấp
phối bê tông sử dụng cát xay đều đáp ứng được yêu cầu đối với độ mài
mòn khi áp dụng làm mặt đường bê tông xi măng.
Từ các kết quả trên, cấp phối tối ưu được lựa chọn là cấp phối có
tỷ lệ thay thế 40% cát nghiền và dùng cấp phối này để tính toán cho kết
cấu áo đường sau đây
19
3.3. TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG
3.3.1. Thiết kế
3.3.1.1. Với cát sông
3.3.1.2. Với cát xay
Bảng 3.14. Bảng tính toán kết cấu áo đường cứng sử dụng cát sông TÍNH KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG CỨNG – CÁT SÔNG (22TCN 223-95)
CÁC THAM SỐ TÍNH TOÁN
500 275 M300 40.9 315000 0.15 7 3500 1.2 4200 33 16.5 20 53 578 1.21 544.79 1.21 1.82 1.79
L= B= Rku= Ebt= m= Ptc= Pbtc= "m= Ptt= D0= Rtt= h1= D= m= Ech h/R= Ebt/Ech= a1 a2 a3
tải trọng ở cạnh tấm
1 Chiều dài tấm bê tông Chiều rộng tấm bê tông Mác tấm bê tông Cường độ chịu kéo Mô đun đàn hồi Hệ số Poisson Tải trọng trục tiêu chuẩn Tải trọng bánh tiêu chuẩn Hệ số xung kích Tải trọng tính toán Đường kính vệt bánh xe Bán kính vệt bánh xe 2 TÍNH CHIỀU DÀY TẤM BTXM Giả định chiều dày tấm Đường kính vệt bánh xe QĐ Ech trên mặt lớp móng Xác định các hệ số a1, a2, a3 theo vị trí đặt tải Tra bảng 4.1, 4.2 , 4.3 tìm được: Tính chiều dày tấm theo Hệ số chiết giảm cường độ theo Bảng 3.4 Điều 3.3 Ứng suất tới hạn Chiều dày tấm bê tông KẾT LUẬN Chọn chiều dày tấm 3 KIỂM TOÁN VỚI XE TRỤC 7T Tải trọng bánh Bán kính vệt bánh xe Hệ số xung kích Tải trọng bánh tính toán Khoảng cách 2 bánh xe Hệ số chiết giảm cường độ (Bảng 3.4) Xác định mô men uốn dưới bánh xe
Ta có
n= [s]= h= Good h= P= R= kâ= Ptt= d= n=
0.5 20.45 19.31 20 3500 16.5 1.15 4025 1.7 0.71
cm cm daN/cm2 daN/cm2 T daN daN cm cm cm cm daN daN/cm2 cm cm daN cm daN m
20
m=
h/R= Ebt/Ech aR= c=
1.21 544.79 0.184 0.211 846.7
Ta có
1.891 0.023 -0.022 79.95 -74.91
daN.cm/cm daN.cm/cm daN.cm/cm
ar= A= B= MF= MT=
926.62 daN.cm/cm -921.58 daN.cm/cm
SMF= SMT=
KẾT LUẬN KẾT LUẬN
mô men hướng tâm 29.039 13.90
daN/cm2 daN/cm2
[s]= s= ĐẠT GOOD
Dt= I= a= L /I= B/I= Cx= Cy= s2= sn= sc= s1= "s2=
sI=
KIỂM TOÁN VỚI TẤM CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ oC daN/cm2 daN/cm2 daN/cm2 daN/cm2 daN/cm2 daN/cm2
Tra bảng 4.5 có Mô men uốn hướng tâm và tiếp tuyến do tải trọng phân bố đều trên R MF=MT= Mô men uốn hướng tâm và tiếp tuyến do tải trọng tập trung của bánh xe bên cạnh Tra bảng 4.5 có Mô men hướng tâm Mô men tiếp tuyến Tổng mô men Kiểm toán với Ứng suất cho phép của bê tông Ứng suất kéo uốn trong tấm bê tông 3 10 Chênh lệch nhiệt độ 98.01 Đặc trưng đàn hồi tấm bê tông 0.000010 Hệ số giãn dài do nhiệt độ của bê tông 5.10 Xác định tỷ số 2.81 0.42 Tra toán đồ hình 4.3 có 0.18 4.32 Ứng suất do Dt ở giữa theo hướng dọc tấm 2.35 Ứng suất do Dt ở giữa theo hướng ngang 4.06 Ứng suất do Dt theo hướng dọc tấm ở cạnh tấm 18.14 Ứng suất do tải trọng gây ra ở giữa tấm Ứng suất do tải trọng gây ra ở cạnh tấm 0.00 Ứng suất tổng cộng do tải trọng và nhiệt độ gây ra ở giữa tấm theo hướng dọc 22.47 Ứng suất tổng cộng do tải trọng và nhiệt độ gây ra ở cạnh tấm theo hướng dọc sII= 4.06 Ứng suất tổng cộng giữa tấm Kiểm toán theo 0.875 n= Hệ số chiết giảm cường độ (Bảng 3.4) 35.7875 [s]= Ứng suất cho phép ĐẠT
daN/cm2
KẾT LUẬN
Bảng 3.15. Bảng tính toán kết cấu áo đường cứng sử dụng cát sông TÍNH KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG CỨNG – CÁT XAY (22TCN 223-95)
1 CÁC THAM SỐ TÍNH TOÁN Chiều dài tấm bê tông Chiều rộng tấm bê tông Mác tấm bê tông Cường độ chịu kéo
500 275 M300 43.3
cm cm daN/cm2
L= B= Rku=
21
m=
315000 0.15 7 3500 1.2 4200 33 16.5 20 53 578 1.21 544.79 1.21 1.82 1.79
Mô đun đàn hồi Hệ số Poisson Tải trọng trục tiêu chuẩn Tải trọng bánh tiêu chuẩn Hệ số xung kích Tải trọng tính toán Đường kính vệt bánh xe Bán kính vệt bánh xe 2 TÍNH CHIỀU DÀY TẤM BTXM Giả định chiều dày tấm Đường kính vệt bánh xe QĐ Ech trên mặt lớp mong Xác định các hệ số a1, a2, a3 theo vị trí đặt tải Tra bảng 4.1, 4.2 , 4.3 tìm được: Tính chiều dày tấm theo Hệ số chiết giảm cường độ theo Bảng 3.4 Điều
Ebt= m= Ptc= Pbtc= "m= Ptt= D0= Rtt= h1= D= Ech h/R= Ebt/Ech= a1 a2 a3 tải trọng ở cạnh tấm
daN/cm2 T daN daN cm cm cm cm daN
3.3
m=
Ta có
n= [s]= h= Good h= P= R= kâ= Ptt= d= n= h/R= Ebt/Ech aR= c=
Ứng suất tới hạn Chiều dày tấm bê tông KẾT LUẬN Chọn chiều dày tấm 3 KIỂM TOÁN VỚI XE TRỤC 7T Tải trọng bánh Bán kính vệt bánh xe Hệ số xung kích Tải trọng bánh tính toán Khoảng cách 2 bánh xe Hệ số chiết giảm cường độ (Bảng 3.4) Xác định mô men uốn dưới bánh xe Tra bảng 4.5 có Mô men uốn hướng tâm và tiếp tuyến do tải trọng phân bố đều
0.5 21.65 18.77 19 3500 16.5 1.15 4025 1.7 0.71 1.15 544.79 0.193 0.216
daN/cm2 cm cm daN cm daN m
824.6
trên R
MF=MT=
Mô men uốn hướng tâm và tiếp tuyến do tải trọng tập trung của bánh xe bên
daN.cm/cm
cạnh Ta có
Tra bảng 4.5 có Mô men hướng tâm
1.991 0.021 -0.021 72.54
daN.cm/cm
ar= A= B= MF=
22
daN.cm/cm
-72.11
MT=
897.13 -896.70
daN.cm/cm daN.cm/cm daN/cm2 daN/cm2
KẾT LUẬN
29.039 13.90
SMF= SMT= mô men hướng tâm [s]= s= ĐẠT
9.5 93.11 0.000010 5.37 2.95 0.42 0.18 4.11 2.23 3.86 20.11 0.00
oC daN/cm2 daN/cm2 daN/cm2 daN/cm2 daN/cm2
daN/cm2
24.21
sI=
3.86
Mô men tiếp tuyến Tổng mô men Kiểm toán với Ứng suất cho phép của bê tông Ứng suất kéo uốn trong tấm bê tông 3 KIỂM TOÁN VỚI TẤM CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ Dt= Chênh lệch nhiệt độ I= Đặc trưng đàn hồi tấm bê tông a= Hệ số giãn dài do nhiệt độ của bê tông L /I= Xác định tỷ số B/I= Cx= Tra toán đồ hình 4.3 có Cy= s2= Ứng suất do Dt ở giữa theo hướng dọc tấm Ứng suất do Dt ở giữa theo hướng ngang sn= Ứng suất do Dt theo hướng dọc tấm ở cạnh tấm sc= s1= Ứng suất do tải trọng gây ra ở giữa tấm Ứng suất do tải trọng gây ra ở cạnh tấm "s2= Ứng suất tổng cộng do tải trọng và nhiệt độ gây ra ở giữa tấm theo hướng dọc Ứng suất tổng cộng do tải trọng và nhiệt độ gây ra ở cạnh tấm theo hướng dọc sII= Ứng suất tổng cộng giữa tấm Kiểm toán theo n= Hệ số chiết giảm cường độ (Bảng 3.4) daN/cm2 [s]= Ứng suất cho phép ĐẠT KẾT LUẬN
0.875 37.8875
3.3.2. Kết luận Cát xay (tỷ lệ thay thế 40%) khá tốt và giảm chiều dày BTXM xuống nhưng không đáng kể, với tải trọng trục 7T thì chỉ cần chiều dày 19cm, M300 là có thể sử dụng 3.4. TÍNH HIỆU QUẢ KINH TẾ
Bảng 3.16. Bảng tổng hợp chi phí xây dựng CÔNG TRÌNH: ĐƯỜNG ĐẤU NỐI TỪ QUỐC LỘ 1A VÀO KHU NGHĨA TRANG HẠNG MỤC: TÍNH TOÁN CHO 100M ĐƯỜNG
TT
Hạng mục chi phí
Cách tích
Thành tiền
1
*\1- Mặt đường cát sông M300 Chi phí vật liệu Chi phí nhân công Chi phí máy thi công - Chi phí trực tiếp - Chi phí chung - Thu nhập chịu thuế tính trước
Ký hiệu VL NC M T C L
VL NC M VL+NC+M T*5,5% (T+C)*6%
