intTypePromotion=1
ADSENSE

Nghiên cứu sử dụng vật liệu EPS trong thi công nền đường đắp ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

10
lượt xem
0
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết này giới thiệu về một dự án áp dụng thử nghiệm EPS trong thi công nền đường đắp ở Việt Nam Một số quy định chung trong quản lý chất lượng đối với vật liệu nhẹ EPS và các kết quả thí nghiệm vật liệu cũng sẽ được trình bày.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu sử dụng vật liệu EPS trong thi công nền đường đắp ở Việt Nam

  1. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU EPS TRONG THI CÔNG NỀN ĐƯỜNG ĐẮP Ở VIỆT NAM Phạm Hoàng Kiên1,2*, Vũ Anh Tuấn3, Trương Quốc Bảo3 1 Trường Đại học Giao thông Vận tải, số 3 Cầu Giấy, Hà Nội 2 Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Việt – Nhật, số 3 Cầu Giấy, Hà Nội 3 Học viện Kỹ thuật Quân sự, số 236 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội * Tác giả liên hệ: Email: phkien@utc.edu.vn; Tel: 0975474828 Tóm tắt. EPS (Expanded Poly-Styrol) là vật liệu nhẹ có tỷ trọng chỉ bằng khoảng 1/100 của đất. EPS được sử dụng trong các ngành công nghiệp từ những năm 1950. Tuy nhiên, phải đến năm 1972, EPS mới được lần đầu tiên sử dụng trong lĩnh vực xây dựng cầu đường (dùng làm vật liệu cho một nền đường đắp tại Na Uy). EPS còn có ưu điểm là có thể thi công nhanh và dễ dàng chỉ bằng sức người mà không cần đến các máy móc thi công phức tạp. Ngoài việc rút ngắn thời gian thi công, sử dụng vật liệu nhẹ EPS còn có ưu điểm là không ảnh hưởng đến xung quanh, giảm được các chi phí quản lý, duy tu bảo trì kết cấu trong giai đoạn khai thác. Khi sử dụng EPS thay nền đất đắp sau mố, do vật liệu có tính tự ổn định cao nên nó không gây ra áp lực ngang lên mố cầu. Bài viết này giới thiệu về một dự án áp dụng thử nghiệm EPS trong thi công nền đường đắp ở Việt Nam Một số quy định chung trong quản lý chất lượng đối với vật liệu nhẹ EPS và các kết quả thí nghiệm vật liệu cũng sẽ được trình bày. Từ khóa: thi công nền đường đắp, vật liệu nhẹ, EPS, thí nghiệm vật liệu. 1. MỞ ĐẦU Ở một số nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Đức, Na Uy, Niu Di-lân, Malaysia..., khi phải xây dựng công trình trong điều kiện địa chất yếu hoặc tại một số “hạng mục kỹ thuật đặc biệt” như đường đầu cầu, ngoài biện pháp xử lý nền đất yếu bằng công nghệ cọc đất xi măng, công nghệ cọc cát đầm chặt hoặc giếng cát, để xử lý triệt để tình trạng lún người ta có thể dùng một loại vật liệu rất nhẹ EPS (Expanded Poly-Styrol construction method) để thay nền đất đắp (Hình 1) [1]. EPS là vật liệu nhẹ có tỷ trọng chỉ bằng khoảng 1/100 của đất. EPS được sử dụng trong các ngành công nghiệp từ những năm 1950. Tuy nhiên, phải đến năm 1972, EPS mới được lần đầu tiên sử dụng trong lĩnh vực xây dựng cầu đường (dùng làm vật liệu cho một nền đường đắp tại Na Uy) (Hình 2) [2]. Tại công trình này, đầu tiên người ta xây dựng nền đắp bằng vật liệu đất thông thường. Trước khi vật liệu EPS được sử dụng, độ lún trung bình hàng năm của nền đường (trong suốt khoảng thời gian từ 1950 đến 1972) là trên 10cm. Đến năm 1972, người ta quyết định thử nghiệm thay thế vật liệu đấp đắp thông thường bằng vật liệu nhẹ EPS. Kết quả là độ lún của công trình đã -90-
  2. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải hoàn toàn được khống chế (từ năm 1972 đến năm 1995, tổng độ lún chỉ là 15cm, tức là độ lún trung bình hàng năm chưa đến 1cm). Kết quả này cho thấy rõ hiệu quả của việc sử dụng vật liệu nhẹ EPS khi xây dựng công trình trên nền địa chất yếu. Sử dụng vật liệu nhẹ EPS không chỉ giải quyết tốt bài toán lún theo phương thẳng đứng mà còn giúp giảm tải trọng ngang tác dụng lên kết cấu phần dưới (kết cấu mố trụ). Ngoài ra, khi cần giảm tải trọng tác dụng lên các công trình ngầm được chôn trong đất, người ta có thể thay thế lớp đất phía trên công trình bằng vật liệu nhẹ EPS. Vật liệu nhẹ EPS cũng đã được sử dụng từ khá sớm tại Mỹ. Mỹ cũng là nước có dự án đã sử dụng khối lượng vật liệu EPS lớn nhất cho một công trình xây dựng (khoảng 100,000 m3 tại dự án xây dựng lại đường liên bang I-15 ở thành phố Salt Lake) [3]. Tại Đức, vật liệu nhẹ EPS lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1995 để xử lý lún đường đầu cầu của một cầu được xây dựng trên đường cao tốc. Vật liệu nhẹ EPS cũng đã được giới thiệu và được sử dụng tại Malaysia từ năm 1992. Hình 1. Sử dụng vật liệu nhẹ EPS thay nền đất đắp (trong điều kiện địa chất yếu) Thay đất đắp thông thường bằng vật liệu nhẹ EPS (năm 1972) Độ lún (cm) Năm Từ năm 1972 –năm 1995 tổng độ lún chỉ là 15cm Hình 2. Sử dụng vật liệu nhẹ EPS tại nền đường đắp ngoại ô Oslo, Nauy Hình 3. Thí nghiệm ngoài hiện trường với mô hình 1:1 tại Nhật Bản -91-
  3. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 2. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU NHẸ EPS Vật liệu nhẹ nói chung có khối lượng thể tích thông thường bằng khoảng 1% - 70% so với đất hoặc đá. Trên thực tế, có nhiều loại vật liệu nhẹ khác nhau được sử dụng, bao gồm vật liệu có khả năng chịu nén như xốp EPS, bê tông bọt, vật liệu dạng hạt xỉ lò, gốm nở... Ở một số nước phát triển, EPS là loại vật liệu nhẹ được sử dụng khá phổ biến trong ngành công nghiệp xây dựng. EPS được sản xuất công nghiệp và được đúc thành các khối có kích thước tiêu chuẩn ở trong nhà máy. EPS là loại vật liệu “siêu nhẹ” với khối lượng thể tích chỉ bằng 1% ~ 2% so với đất đá hoặc bê tông nhưng lại có khả năng chịu được ứng suất nén khá lớn. Ngoài ra, EPS còn có ưu điểm là dễ gia công và bảo quản. Vì vậy, sử dụng EPS làm vật liệu đắp cho công trình sẽ làm giảm tĩnh tải của nền đắp đi rất nhiều và cả trong trường hợp địa chất yếu cũng sẽ không cần xử lý nền bằng các phương pháp như gia tải trước, trụ đất xi măng, cọc cát đầm chặt hoặc giếng cát... Điều này làm giảm giá thành và thời gian thi công. Hình 4 thể hiện những đặc điểm chung, tiêu biểu của giải pháp xây dựng sử dụng vật liệu nhẹ EPS. Vật liệu EPS rất nhẹ và được sản xuất trong nhà máy ở nhiều hình dạng khác nhau với trọng lượng riêng rất nhỏ, ρ= 0.12 – 0.45 kN/m3. Các khối EPS sử dụng cho công trình xây dựng và công trình giao thông thường có kích thước 0.5m×1.0m×2.0m – 3.0 m, khối lượng 20 – 40 kg. Theo công bố của Aabøe cùng cộng sự [1] và Padade A. H cùng cộng sự [4, 5], cường độ của vật liệu EPS có quan hệ rất chặt chẽ với trọng lượng riêng của nó, thậm chí có thể nói hai đại lượng này có quan hệ tuyến tính. Bảng 1 trình bày các đặc tính cơ học cơ bản của vật liệu EPS [6]. Hình 5 trình bày đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng của một số loại vật liệu EPS thông dụng [6]. Chúng ta thấy khi biến dạng dọc trục nhỏ hơn 2% thì quan hệ ứng suất - biến dạng về cơ bản là tuyến tính. Sau đó, ứng suất có xu hướng tăng chậm và giữ ổn định ở giá trị cực đại trong khi đó biến dạng tiếp tục tăng. Bảng 1. Đặc tính cơ học cơ bản của vật liệu EPS Phương pháp chế Đúc trong khuôn (EPS) Phương pháp ép đẩy (XPS) tạo khối EPS DX- DX- Loại vật liệu D-12 D-16 D-20 D-25 D-30 DX-29 DX-35 DX-45 24 24H Trọng lượng thể 0.12 0.16 0.20 0.25 0.30 0.24 0.24 0.29 0.35 0.45 tích (kN/m3) Ứng suất nén cho 20 35 50 70 90 60 100 140 200 350 phép (kN/m2) Mô đun đàn hồi 2,000 3,500 5,000 7,000 9,000 6,000 10,000 14,000 20,000 35,000 (kN/m2) -92-
  4. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 4. Đặc điểm của giải pháp xây dựng sử dụng vật liệu nhẹ EPS Ứng suất nén (kN/m2) Ứng suất nén (kN/m2) Biến dạng ε (%) Biến dạng ε (%) Hình 5. Đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng của một số loại vật liệu EPS 3. NHỮNG QUY ĐỊNH TRONG QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG ĐỐI VỚI VẬT LIỆU NHẸ EPS Mặc dù đều có thể dùng một tên gọi chung là vật liệu nhẹ EPS nhưng ở một số nước như Nhật Bản, Na Uy… (những nước đi đầu trong việc áp dụng EPS trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng), tùy theo cách chế tạo khối EPS mà người ta lại chia thành hai loại với hai tên gọi cụ thể khác nhau: khối EPS được đúc trong khuôn (vẫn dùng tên gọi là EPS) và tấm EPS được chế tạo bằng phương pháp ép đẩy (được gọi là XPS). -93-
  5. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Kích thước tiêu chuẩn của hai loại này được thể hiện trong Hình 6. Các tấm XPS thường được chế tạo với chiều dày 10cm. Để tạo ra khối XPS có cùng chiều dày với khối EPS (50cm) người ta thường dán 5 tấm XPS lại với nhau. Bằng việc thay đổi số tấm XPS, người ta cũng có thể tạo ra các khối XPS có chiều dày khác nhau (bước thay đổi là 10cm). Tùy theo trọng lượng thể tích mà EPS lại được chia thành 5 loại khác nhau: D-12, D-16, D-20, D-25 và D-30. Tương tự như vậy, XPS cũng được chia thành 5 loại khác nhau tùy theo trọng lượng thể tích: DX-24, DX-24H, DX-29, DX-35 và DX-45 [6]. Các khối EPS được chế tạo trong nhà máy trước khi sử dụng ở công trường phải trải qua 4 công tác kiểm tra và thí nghiệm bao gồm: (1) Kiểm tra kích thước; (2) Kiểm tra trọng lượng thể tích; (3) Thí nghiệm cường độ chịu nén và (4) Thí nghiệm đốt cháy. Kết quả kiểm tra và thí nghiệm phải thỏa mãn các quy định trong Bảng 2. Bảng 2. Quy định về quản lý chất lượng đối với vật liệu EPS Kiểm tra kích thước Cường độ Trọng lượng thể Thí nghiệm Loại Dài Rộng Cao chịu nén tích ρ (kg/m3) đốt cháy (mm) (mm) (mm) (kN/m2) ρ≤12+2.0 D-12 ≥ 40 12-1.0≤ρ ρ≤16+2.0 D-16 ≥ 70 16-1.0≤ρ ρ≤20+2.0 D-20 2,000±11 1,000±7 500±4 ≥ 100 20-1.0≤ρ ρ≤25+2.0 D-25 ≥ 140 25-1.5≤ρ Ngọn lửa tắt ρ≤30+3.0 trong vòng 3 D-30 ≥ 180 30-2.0≤ρ giây, phạm vi ρ≤24+3.0 cháy không DX-24 750±6 ≥ 120 24-1.0≤ρ lan quá phạm ρ≤24+3.0 vi giới hạn DX-24H ≥ 200 24-1.0≤ρ ρ≤29+3.0 XD-29 2,000±11 100±2 ≥ 280 29-2.0≤ρ 1,000±7 ρ≤35+3.0 XD-35 ≥ 400 35-3.0≤ρ ρ≤45+5.0 XD-45 ≥ 700 45-5.0≤ρ Đơn vị: mm Chế tạo bằng phương pháp đúc trong khuôn (EPS) Chế tạo bằng phương pháp ép đẩy (XPS) Hình 6. Kích thước tiêu chuẩn của vật liệu EPS -94-
  6. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 4. ÁP DỤNG THỬ NGHIỆM VẬT LIỆU EPS TRONG THI CÔNG NỀN ĐƯỜNG ĐẮP Ở VIỆT NAM Ở Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu đối với vật liệu EPS. Để phục vụ cho việc xây dựng tiêu chuẩn, đồng thời kiểm chứng các tính năng của vật liệu EPS và nghiên cứu khả năng áp dụng loại vật liệu này trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng ở Việt Nam, một nền đắp bằng vật liệu EPS với tổng chiều dài 39,8m (bao gồm cả phần nền đắp có dốc 15% để các xe thí nghiệm lên và xuống), chiều cao 3,9m và chiều rộng 4,0m đã được xây dựng tại thị xã Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu (Hình 7). Đây là mô hình thí nghiệm 1:1 và đồng thời cũng là công trình áp dụng EPS thử nghiệm thực tế đầu tiên ở Việt Nam. Trong dự án áp dụng thử nghiệm này có hai loại vật liệu EPS được sử dụng là DX-24H và D-20. Trong đó DX-24H được nhập từ Nhật Bản và D-20 được sản xuất tại một nhà máy ở Việt Nam (với nguyên liệu sản xuất là hạt nhựa polystyrene được nhập từ Nhật Bản). Tuy là dự án thử nghiệm nhưng các thí nghiệm vật liệu vẫn được tiến hành. Hình 8 thể hiện vị trí lấy mẫu thí nghiệm từ các khối EPS. Hình 7. Công trình áp dụng EPS thử nghiệm thực tế tại thị xã Phú Mỹ Hình 8. Vị trí lấy mẫu thí nghiệm từ các khối EPS -95-
  7. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Ứng suất nén (kN/m2) Ứng suất nén (kN/m2) Cường độ Cường độ yêu cầu yêu cầu Biến dạng ε (%) Biến dạng ε (%) Đường cong ứng suất – biến dạng (D-20) Đường cong ứng suất – biến dạng (DX-24H) Hình 9. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén Hình 10. Kết quả thí nghiệm đốt cháy Kết quả thí nghiệm vật liệu được thể hiện trong các Hình 9 và Hình 10. Trong thí nghiệm cường độ, mẫu thí nghiệm được cắt nhỏ thành những khối có kích thước 50mm × 50mm × 50mm. Tỷ lệ nén (tốc độ gia tải) được đặt làm sao để biến dạng tuyệt đối trong thời gian 1 phút bằng khoảng 10% chiều dầy của mẫu thí nghiệm. Trong thí nghiệm đốt cháy, mẫu thí nghiệm được cắt theo kích thước chiều dầy 10mm × chiều dài 200mm × chiều rộng 25mm. Bố trí của thí nghiệm đốt cháy được thể hiện trong Hình 10. Yêu cầu đối với thí nghiệm đốt cháy là sau khi mẫu thí nghiệm đã bắt lửa và chúng ta dời nguồn lửa ra khỏi mẫu thí nghiệm, ngọn lửa tắt trong vòng 3 giây và phạm vi cháy không lan quá phạm vi giới hạn. Kết quả thí nghiệm vật liệu cho thấy các khối D-20 (được sản xuất tại một nhà máy ở Việt Nam với nguyên liệu được nhập từ Nhật Bản) có tính năng thỏa mãn các yêu cầu của thiết kế. Hay nói cách khác, các khối EPS sản xuất tại Việt Nam cũng có tính năng tương đương với vật liệu sản xuất tại Nhật Bản. 4. KẾT LUẬN • Với ưu điểm là loại vật liệu “siêu nhẹ”, có chất lượng đồng nhất, có các đặc tính cơ học tốt, phù hợp cho xây dựng công trình trên nền đất yếu, EPS thường được -96-
  8. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải sử dụng với mục đích làm giảm độ lún của công trình và rút ngắn thời gian thi công. • Các khối EPS được chế tạo trong nhà máy trước khi sử dụng ở công trường phải trải qua 4 công tác kiểm tra và thí nghiệm bao gồm: (1) Kiểm tra kích thước; (2) Kiểm tra trọng lượng thể tích; (3) Thí nghiệm cường độ chịu nén và (4) Thí nghiệm đốt cháy. • Để phục vụ cho việc xây dựng tiêu chuẩn, đồng thời kiểm chứng các tính năng của vật liệu EPS và nghiên cứu khả năng áp dụng loại vật liệu này trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng ở Việt Nam, một nền đắp bằng vật liệu EPS đã được xây dựng tại thị xã Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Kết quả thí nghiệm vật liệu tại dự án áp dụng thử nghiệm này cho thấy các khối EPS sản xuất tại Việt Nam cũng có tính năng tương đương với vật liệu sản xuất tại Nhật Bản. • Để áp dụng EPS trong điều kiện Việt Nam chúng tôi kiến nghị: + Đánh giá đoạn thử nghiệm trên theo tiêu chuẩn thiết kế, thi công đường bộ. + So sánh kinh tế, kỹ thuật với một số phương pháp xử lý nền đất yếu truyền thống khác để xác định phạm vi sử dụng EPS cho nền đường đắp. Hy vọng giải pháp này hiệu quả khi thiết kế, thi công nền đường đắp trên đất yếu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Aabøe R., Barlett S.F., Duskov M., Frydenlund T.E., et al. (2018). Geofoam block in civil engineering applications, 5th International Conference on Geofoam Blocks in Construction Applications, pp. 3-38. [2]. Alfheim S., Flaate K., Refsdal G., et al. (2011). The first EPS geoblock road- embankment-1972, 4th International Conference on Geofoam Blocks in Construction Applications, Lillestrom, Norway. [3]. Barlett S.F. and Lawton E. (2012). Design and Evaluation of Geofoam Embankment for the I-15 Reconstruction Project, Salt Lake City, Utah, Utah Department of Transportation - Research Division. [4]. Padade A. H. and Mandal J. N. (2012). Feasibility studies on expanded polystyrene (EPS) geofoam. International Conference on Ground Improvement and Ground Technique, IGCI-12, Oct 30 – Nov 2, 2012, University of Wollongong, Wollongong, Australia. [5]. Padade A. H. and Mandal J. N. (2012). Behavior of expanded polystyrene (EPS) geofoam under triaxial loading conditions. Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 17, pp. 2543-2553. [6]. EPS Development Organization (2014), EDO-EPS Construction method – Standard plan of Design and Construction. -97-
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2