Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Trần Trung Hiếu

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY

LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Mã ngành:

62.58.02.05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. GS.TS PHẠM DUY HỮU

2. PGS.TS LÃ VĂN CHĂM

HÀ NỘI – 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

Trần Trung Hiếu

LỜI CẢM ƠN

Với sự trân trọng và lòng biết ơn sâu sắc, tác giả luận án xin chân thành cảm ơn tới GS.TS Phạm Duy Hữu và PGS.TS Lã Văn Chăm - những người Thầy đã tận tình hướng dẫn và định hướng khoa học; tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án.

Tác giả xin chân thành cảm ơn các giáo sư, phó giáo sư, tiến sỹ, các chuyên gia, các nhà khoa học trong ngành GTVT và Xây dựng đã chỉ dẫn và đóng góp ý kiến quý báu để luận án được hoàn thiện.

Trong quá trình làm luận án, tác giả đã nhận được sự hỗ trợ và giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo, các nhà khoa học thuộc Bộ môn Đường bộ, Bộ môn Vật liệu Xây dựng, Bộ môn Đường ô tô sân bay - Trường Đại học Giao thông vận tải và GS.TS Bùi Xuân Cậy, PGS.TS Nguyễn Thanh Sang và PGS.TS Nguyễn Quang Phúc. Tác giả xin chân thành cảm ơn.

Tác giả chân thành cảm ơn đến cán bộ Trung tâm thí nghiệm Đường bộ cao tốc - Trường Đại học công nghệ GTVT; các phòng thí nghiệm LAS-XD72, LAS- XD160; Công ty Vật tư thiết bị giao thông TRANSMECO; Công ty phụ gia bê tông Phả Lại – PHALAMI và các bạn đồng nghiệp, các TS-NCS nước ngoài đã tận tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu, số liệu, vật tư vật liệu và tạo điều kiện cho quá trình thí nghiệm, thử nghiệm.

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông vận tải, tác giả đã nhận được sự tạo điều kiện thuận lợi tối đa của lãnh đạo Trường, phòng Đào tạo Sau đại học và Khoa Công trình. Tác giả xin trân trọng cảm ơn.

Tác giả xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải và lãnh đạo, cán bộ phòng KHCN-HTQT đã quan tâm tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.

Cuối cùng tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia

đình đã động viên và chia sẻ trong suốt thời gian thực hiện luận án.

Tác giả luận án Trần Trung Hiếu

iii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu.............................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................2 3. Phạm vi nghiên cứu của luận án .............................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................2 5. Bố cục của luận án ..................................................................................................3 6. Những đóng góp mới của luận án ...........................................................................3 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.................................................................................4 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY .........................5 1.1. Khái quát về mặt đường bê tông xi măng ............................................................5 1.1.1. Quy định về tính năng của BTXM ..............................................................5 1.1.2. Quy định về vật liệu chế tạo BTXM............................................................6 1.2. Khái quát về bê tông xi măng tro bay ..................................................................7 1.2.1. Khái niệm bê tông xi măng tro bay ............................................................7 1.2.2. Tính chất tro bay nhiệt điện.......................................................................8 1.2.3. Công nghệ tuyển tro bay nhiệt điện............................................................9 1.2.4. Sản lượng tro bay ở Việt Nam ....................................................................9 1.3. Cơ chế phản ứng trong bê tông xi măng tro bay................................................10 1.3.1. Quá trình phản ứng trong BTXM tro bay.................................................10 1.3.2. Mức độ phản ứng puzơlan tro bay ...........................................................12 1.3.3. Mức độ phản ứng thủy hóa xi măng .........................................................14 1.4. Ảnh hưởng của tro bay đến các tính năng của bê tông xi măng ........................14 1.4.1. Lịch sử nghiên cứu tro bay trong BTXM..................................................14 1.4.2. Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất hỗn hợp BTXM..............................15 1.4.3. Ảnh hưởng của tro bay đến tính năng BTXM...........................................17 1.4.4. Ảnh hưởng của tro bay đến độ bền BTXM ...............................................18 1.5. Hệ số hiệu quả tro bay và phương pháp thiết kế thành phần BTXM tro bay ....19 1.5.1. Khái niệm hệ số hiệu quả tro bay.............................................................19 1.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tro bay.............................................19 1.5.3. Khái quát về các phương pháp thiết kế thành phần BTXM tro bay .........21 1.6. Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay trong xây dựng đường ô tô......24 1.6.1. Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trên thế giới...................................24 1.6.2. Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay ở Việt Nam ....................................27 1.7. Kết luận chương 1 và định hướng nghiên cứu luận án ......................................31 Chương 2. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HIỆU QUẢ TRO BAY VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY ..............................................33

2.1. Phương pháp xác định hệ số hiệu quả tro bay ...................................................33 2.2. Thí nghiệm xác định hệ số hiệu quả tro bay ......................................................35 2.2.1. Vật liệu và nội dung thí nghiệm................................................................36 2.2.2. Kết quả thí nghiệm....................................................................................39 2.2.3. Thiết lập tương quan giữa hệ số cường độ với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD..............................................................................................40 2.2.4. Xác định hệ số k theo tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD ...............43 2.2.5. Xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông ........................................44 2.3. Trình tự thiết kế thành phần bê tông theo hệ số hiệu quả tro bay......................45 2.3.1. Xác định cường độ yêu cầu và độ sụt (Bước 1)........................................46 2.3.2. Lựa chọn cỡ hạt lớn nhất danh định của cốt liệu (Bước 2) .....................47 2.3.3. Lựa chọn thành phần cốt liệu thô tối ưu (Bước 3) ...................................46 2.3.4. Xác định lượng nước và hàm lượng khí (Bước 4) ....................................48 2.3.5. Xác định tỷ lệ nước / xi măng (Bước 5)....................................................48 2.3.6. Xác định khối lượng xi măng ban đầu (Bước 6) ......................................49 2.3.7. Xác định khối lượng xi măng và tro bay trong BTXM tro bay (Bước 7)..49 2.3.8. Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay theo hệ số k (Bước 8)......................51 2.4. Thí nghiệm và thiết lập công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ........................................................................................................51 2.4.1. Kết quả thí nghiệm vật liệu.......................................................................51 2.4.2. Tính thành phần vật liệu BTXM tro bay...................................................54 2.4.3. Chế tạo và thí nghiệm cường độ nén .......................................................58 2.4.4. Tính và phân tích kết quả thí nghiệm .......................................................59 2.4.5. Công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô.........63 2.5. Kết luận Chương 2 .............................................................................................66 Chương 3. THÍ NGHIỆM MỘT SỐ TÍNH NĂNG CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ.................................................................68 3.1. Vật liệu và kế hoạch thí nghiệm.........................................................................68 3.2. Thí nghiệm tính công tác hỗn hợp BTXM tro bay.............................................69 3.2.1. Độ sụt........................................................................................................69 3.2.2. Thời gian đông kết ....................................................................................71 3.3. Thí nghiệm đo nhiệt độ thủy hóa tỏa ra trong bê tông.......................................73 3.4. Thí nghiệm sự phát triển cường độ nén bê tông ................................................76 3.4.1. Cường độ nén ở 7 ngày ............................................................................76 3.4.2. Cường độ nén ở 14 ngày ..........................................................................78 3.4.3. Cường độ nén ở 28 ngày ..........................................................................79 3.4.4. Cường độ nén ở 56 ngày ..........................................................................79 3.4.5. Phân tích sự phát triển cường nén theo thời gian ....................................80

3.5. Thí nghiệm cường độ kéo uốn ...........................................................................82 3.6. Thí nghiệm mô đun đàn hồi ...............................................................................86 3.7. Thí nghiệm độ mài mòn .....................................................................................89 3.8. Thí nghiệm độ thấm nước ..................................................................................90 3.9. Tổng hợp kết quả thí nghiệm .............................................................................92 3.10. Kết luận chương 3 ............................................................................................92 Chương 4. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ ...........................................................94 4.1. Phân tích khả năng ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô....................94 4.1.1. Khả năng đáp ứng về cường độ................................................................94 4.1.2. Độ mài mòn mặt đường BTXM tro bay ....................................................96 4.1.3. Khả năng chống thấm nước .....................................................................96 4.1.4. Tính công tác ............................................................................................97 4.1.5. Phân tích hiệu quả kinh tế - môi trường...................................................99 4.1.6. Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường .........................100 4.2. Đề xuất các dạng kết cấu áo đường bê tông xi măng tro bay ..........................101 4.2.1. Các số liệu phục vụ thiết kế ....................................................................101 4.2.3. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp nặng .................104 4.2.4. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp trung bình ........105 4.2.5. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp nhẹ ...................106 4.2.6. Tổng hợp các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay ..........................107 4.3. Cường độ và ứng suất mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm.........................107 4.3.1. Đặt vấn đề...............................................................................................107 4.3.2. Cường độ của BTXM trong giai đoạn tuổi sớm ....................................109 4.3.3. Ứng suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm........................111 4.3.4. Điều kiện kiểm toán ứng suất mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm .114 4.4. Phân tích ảnh hưởng của tro bay đến cường độ và ứng suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm ...................................................................................108 4.4.1. Các số liệu phục vụ tính toán .................................................................116 4.4.2. Kết quả tính cường độ và ứng suất mặt đường BTXM ..........................117 4.4.3. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến sự phát triển cường độ......................120 4.4.4. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến sự phát triển ứng suất kéo ................122 4.4.5. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến khả năng kháng nứt mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm.......................................................................................123 4.5. Tổng hợp kết quả kiểm toán ứng suất trong các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay ở giai đoạn tuổi sớm....................................................................................125 4.6. Kết luận chương 4 ............................................................................................126 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.................128

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ........................ i TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... I DANH MỤC BẢNG

CHƯƠNG 1 Bảng 1.1 – Cường độ thiết kế của BTXM làm mặt đường ô tô....................................6 Bảng 1.2 – Phân loại hàm lượng tro bay trong BTXM.................................................8 Bảng 1.3 – Chỉ tiêu chất lượng chính của tro bay dùng cho BTXM ............................9 Bảng 1.4 – Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2005 đến 2020 ...........10 Bảng 1.5. So sánh tính chất cơ học giữa BTXM tro bay với BTXM thông thường.....27 Bảng 1.6 – Thành phần bê tông sử dụng vật liệu khoáng tro bay.................................29 CHƯƠNG 2 Bảng 2.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm........................................................36 Bảng 2.2 – Kết quả thí nghiệm các tính chất của tro bay Phả Lại ................................37 Bảng 2.3 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén...............................................................39 Bảng 2.4 – Kết quả phân tích tương quan giữa hệ số cường độ với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD .............................................................................................43 Bảng 2.5 – Phương trình thực nghiệm xác định hệ số hiệu quả tro bay .......................43 Bảng 2.6 – Bảng giá trị hệ số hiệu quả k trong vữa xi măng tro bay............................43 Bảng 2.7 – Giá trị hệ số hiệu quả tro bay trong BTXM tro bay ...................................45 Bảng 2.8 – Cường độ yêu cầu của BTXM làm mặt đường ô tô ...................................46 Bảng 2.9 – Yêu cầu độ sụt hỗn hợp bê tông làm mặt đường ô tô.................................47 Bảng 2.10 – Bảng tra thể tích cốt liệu thô.....................................................................47 Bảng 2.11 – Bảng tra lượng nước .................................................................................48 Bảng 2.12 – Bảng tra tỷ lệ nước / xi măng ...................................................................48 Bảng 2.13 – Bảng giá trị hệ số hiệu quả tro bay ...........................................................50 Bảng 2.14 – Bảng kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của cát.........................................52 Bảng 2.15 – Bảng kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối của cát .............................53 Bảng 2.16 – Bảng kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu thô .....................53 Bảng 2.17 – Bảng kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối của cốt liệu thô................54 Bảng 2.18 – Hệ số hiệu quả tro bay cho từng loại bê tông ...........................................56 Bảng 2.19 – Kết quả tính thành phần xi măng và tro bay bê tông................................56 Bảng 2.20 – Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-NC)..........................................57 Bảng 2.21 – Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-EN) ..........................................57 Bảng 2.22 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm cường độ nén bê tông ..................58 Bảng 2.23 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay (FCk-NC) .....................59

vii

Bảng 2.24 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay (FCk-EN) .....................59 Bảng 2.25 – Kết quả tính cường độ nén BTXM tro bay FCk-NC ...................................60 Bảng 2.26 – Kết quả tính cường độ nén BTXM tro bay FCk-EN ...................................61 Bảng 2.27 – So sánh cường độ đặc trưng và cường độ nén thiết kế.............................62 Bảng 2.28 – Bảng hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông mặt đường ô tô......................63 Bảng 2.29 – Thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô .........................63 CHƯƠNG 3 Bảng 3.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm........................................................68 Bảng 3.2 – Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông..............................................................69 Bảng 3.3 – Kết quả phân tích thống kê ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến độ sụt...........70 Bảng 3.4 – Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết .......................................................71 Bảng 3.5 – Kết quả phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến thời gian đông kết ......72 Bảng 3.6 – Kết quả đo nhiệt độ lớn nhất tại tâm các mẫu bê tông ...............................75 Bảng 3.7 – Kết quả thí nghiệm nhiệt độ tỏa ra trong bê tông .......................................76 Bảng 3.8 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 7 ngày...................................77 Bảng 3.9 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 14 ngày.................................78 Bảng 3.10 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 28 ngày...............................79 Bảng 3.11 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 56 ngày...............................80 Bảng 3.12 – Sự phát triển cường độ nén đặc trưng.......................................................81 Bảng 3.13 – Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn bê tông.........................................83 Bảng 3.14 – Tỷ số giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén........................................86 Bảng 3.15 – Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi bê tông ............................................87 Bảng 3.16 – Kết quả thí nghiệm độ mài mòn ...............................................................89 Bảng 3.17 – Kết quả thí nghiệm độ thấm nước bê tông ...............................................91 Bảng 3.18 – Tổng hợp kết quả thí nghiệm BTXM tro bay ...........................................92 CHƯƠNG 4 Bảng 4.1 – Khả năng đáp ứng về cường độ ..................................................................95 Bảng 4.2 – Độ mài mòn mặt đường BTXM tro bay .....................................................96 Bảng 4.3 – Khả năng chống thấm nước ........................................................................97 Bảng 4.4 – Độ sụt bê tông mặt đường ô tô ...................................................................97 Bảng 4.5 – Thời gian đông kết chất kết dính ................................................................98 Bảng 4.6 – Bảng khối lượng vật liệu cho 1 km đường .................................................99 Bảng 4.7 – Bảng lượng khí CO2 thải ra do sản xuất xi măng .......................................99 Bảng 4.8 – Bảng giá thành vật liệu BTXM tro bay (triệu đồng) ..................................100 Bảng 4.9 – Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường .............................101 Bảng 4.10 – Quy mô giao thông ...................................................................................102

viii

Bảng 4.11 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay.................105 Bảng 4.12 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay.................105 Bảng 4.13 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay.................106 Bảng 4.14 – Tổng hợp kết quả thiết kế chiều dày tấm BTXM tro bay (cm) ................107 Bảng 4.15 – Kết quả thí nghiệm sự phát triển cường độ nén bê tông...........................109 Bảng 4.16 – Bảng tham số quá trình thủy hóa ..............................................................110 Bảng 4.17 – Số liệu đầu vào tính cường độ, ứng suất bê tông .....................................117 Bảng 4.18 – Bảng kết quả tính cường độ, ứng suất trong tấm bê tông (MPa)..............118 Bảng 4.19 – Cường độ chịu kéo bê tông ở giai đoạn tuổi sớm.....................................121 Bảng 4.20 – Ứng suất kéo lớn nhất trong bê tông ở giai đoạn tuổi sớm ......................122 Bảng 4.21 – Kiểm toán ứng suất kéo tại thời điểm nguy hiểm nhất (41 giờ)...............124 Bảng 4.22 – Tổng hợp kết quả kiểm toán ứng suất trong các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay ở giai đoạn tuổi sớm..................................................................125

DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ

CHƯƠNG 1 Hình 1.1 – Quá trình phản ứng trong BTXM không tro bay ........................................12 Hình 1.2 – Quá trình phản ứng trong BTXM tro bay ...................................................12 Hình 1.3 – Hàm lượng Ca(OH)2 trong bê tông .............................................................13 Hình 1.4 – Mức độ phản ứng puzơlan của tro bay trong bê tông .................................13 Hình 1.5 – Ảnh hưởng của độ mịn tro bay đến lượng nước yêu cầu............................15 Hình 1.6 – Ảnh hưởng của lượng tổn thất khi nung đến lượng nước yêu cầu..............15 Hình 1.7 – Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến thời gian đông kết bê tông............16 Hình 1.8 – Ảnh hưởng của tro bay đến nhiệt độ thủy hóa trong bê tông......................16 Hình 1.9 – Ảnh hưởng của tro bay đến sự phát triển cường độ nén bê tông ................17 Hình 1.10 – Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ thấm ion clo...........................18 CHƯƠNG 2 Hình 2.1 – Khảo sát vật liệu tại nhà máy tro bay Phả Lại - PHALAMI.......................38 Hình 2.2 – Quá trình chế tạo và bảo dưỡng mẫu ..........................................................38

Hình 2.3 – quan hệ giữa hệ số RS với tỷ lệ f và tỷ lệ ω.................................................39 Hình 2.4 – Quan hệ giữa hiệu quả tro bay với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD trong bê tông ........................................................................................................44

Hình 2.5. Biểu đồ thành phần hạt của cát .....................................................................52 Hình 2.6. Biểu đồ thành phần hạt của cốt liệu thô ........................................................54 Hình 2.7. Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay FCk-NC ............................60 Hình 2.8. Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay FCk-EN.............................61 Hình 2.9. Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số f’c / Rtk n và tỷ lệ tro bay / CKD .........................62 Hình 2.10. Biểu đồ khối lượng thành phần vật liệu bê tông FC và bê tông PC............65 Hình 2.11. Biểu đồ tỷ lệ thành phần vật liệu trong BTXM tro bay ..............................66 CHƯƠNG 3 Hình 3.1. Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông ................................................................70 Hình 3.2. Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết..........................................................73 Hình 3.3. Sơ đồ bố trí đầu đo nhiệt trong mẫu bê tông.................................................73 Hình 3.4. Ảnh thí nghiệm đo nhiệt trong khối bê tông .................................................74 Hình 3.5. Nhiệt trong khối bê tông PC tại các đầu đo ..................................................74 Hình 3.6. Nhiệt trong khối bê tông FC30 tại các đầu đo ..............................................75 Hình 3.7. Sự phát triển nhiệt độ tại tâm mẫu bê tông ...................................................75 Hình 3.8. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 7 ngày .....................................77 Hình 3.9. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 14 ngày ...................................78 Hình 3.10. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 28 ngày .................................79 Hình 3.11. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 56 ngày .................................80 Hình 3.12. Sự phát triển cường độ nén BTXM tro bay theo thời gian .........................81 Hình 3.13. Tốc độ phát triển cường độ nén so với cường độ ở 28 ngày.......................82 Hình 3.14. Mô hình thí nghiệm cường độ chịu kéo uốn ...............................................83 Hình 3.15. Hình ảnh thí nghiệm cường độ kéo uốn......................................................83 Hình 3.16. Kết quả phân tích tính tương đồng giữa các loại BTXM tro bay ...............84 Hình 3.17. Biểu đồ phân tích cường độ kéo uốn đặc trưng BTXM tro bay .................85 Hình 3.18. Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi BTXM tro bay ......................87 Hình 3.19. Kết quả thí nghiệm độ mài mòn BTXM tro bay .........................................90 Hình 3.20. Kết quả thí nghiệm độ thấm nước BTXM tro bay ......................................91 CHƯƠNG 4 Hình 4.1. Biểu đồ lượng khí CO2 thải ra môi trường....................................................100 Hình 4.2. Mô hình kết cấu áo đường BTXM tro bay....................................................102

Hình 4.3. Sơ đồ khối tính toán, thiết kế mặt đường BTXM .........................................104 Hình 4.4. Kết quả thiết kế kết cấu áo đường BTXM tro bay........................................107 Hình 4.5. Giai đoạn tuổi sớm của bê tông.....................................................................108 Hình 4.6. Sự phát triển nhiệt độ bê tông ở giai đoạn tuổi sớm .....................................108 Hình 4.7. Biến dạng uốn của tấm bê tông.....................................................................111 Hình 4.8. Biến dạng do co ngót dẻo..............................................................................113 Hình 4.9. Sơ đồ tính và kiểm toán ứng suất trong mặt đường sớm ..............................115 Hình 4.10. Biểu đồ ứng suất và cường độ kéo BTXM tro bay ....................................119 Hình 4.11. Biểu đồ ứng suất và cường độ kéo bê tông PC ..........................................119 Hình 4.12. Ảnh hưởng tro bay đến cường độ chịu kéo bê tông ...................................121 Hình 4.13. Ảnh hưởng tro bay đến ứng suất kéo ..........................................................122 Hình 4.14. Biểu đồ tỷ số ứng suất kéo lớn nhất / cường độ chịu kéo bê tông ..............123 Hình 4.15. Biểu đồ ứng suất và cường độ chịu kéo tại điểm cực đại 41 giờ ................125

CÁC TỪ VIẾT TẮT CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

Ký hiệu

AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials

(Hiệp hội những người làm đường bộ và vận tải Mỹ)

ACAA : American Coal Ash Association (Hiệp hội tro bay Mỹ)

ACI : American Concrete Institute (Viện bê tông Mỹ)

ASTM : American Society for Testing and Materials

(Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu Mỹ)

BTXM : Bê tông xi măng

: Các khoáng silicat bền nước CHS

: Chất kết dính CKD

: Cỡ hạt lớn nhất danh định Dmax

: Khối lượng tro bay trong bê tông F

F/CKD : Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f)

: Fly Ash (Tro bay) FA

: Fly Ash Cement Concrete (Bê tông xi măng tro bay)

: Cường độ nén đặc trưng

: Cường độ nén trung bình yêu cầu FC f ’ f ’

FHWA : Federal Highway Administration

(Cơ quan quản lí đường bộ liên bang Mỹ)

GTVT : Giao thông vận tải

HPC : High Performance Concrete (Bê tông chất lượng cao)

HVFA : High Volume Fly Ash (Bê tông xi măng nhiều tro bay)

HRWR : High-Range Water Reducers (Phụ gia hóa dẻo)

: Hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông k

: Lượng mất khi nung LOI

: Tỷ lệ nước / xi măng N/X

N/CKD : Tỷ lệ nước / chất kết dính (ω)

PC : Portland Cement Concrete (Bê tông xi măng poóc lăng thông thường

xii

Ký hiệu

không tro bay)

QĐ3230 : Quy định kỹ thuật tạm thời về thiết kế mặt đường bê tông xi măng

thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông

QĐ1951 : Quy định kỹ thuật tạm thời về thi công và nghiệm thu mặt bê tông xi

măng trong xây dựng công trình giao thông

QL : Quốc lộ

: Cường độ chịu nén bê tông Rn

: Cường độ chịu kéo uốn bê tông Rku

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

TCN : Tiêu chuẩn ngành

VLXD : Vật liệu xây dựng

: Khối lượng xi măng trong bê tông thông thường (không tro bay) X0

MỞ ĐẦU

1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu

Trên thế giới ở nhiều nước như Mỹ, Đức, Nhật Bản, Trung Quốc,... mặt

đường BTXM được xây dựng chiếm tỷ lệ lớn trên các đường cao tốc và trục chính

do đây là loại vật liệu có cường độ và độ bền cao. Ở Việt Nam, BTXM ngày càng

được sử dụng nhiều để làm mặt đường ô tô với tổng chiều dài lên tới 1113 km [14]

và tiếp tục tăng, vì vậy nhu cầu về xi măng rất lớn. Để có 1 tấn xi măng thì ngành

công nghiệp sản xuất thải ra môi trường 1 tấn khí CO2 [47], đây là một trong những

nguyên nhân dẫn đến hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu.

Trong khi đó, hàng năm ở nước ta có hàng chục nhà máy nhiệt điện và gang

thép đã thải ra hàng triệu tấn tro bay và dự kiến đến năm 2020 là 7,6 triệu tấn [7].

Với lượng tro bay rất lớn, nếu không được tái sử dụng có hiệu quả thì sẽ lãng phí

nguồn tài nguyên và ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống.

Theo các tài liệu [10],[57],[63],[81], sử dụng tro bay để thay thế một phần xi

măng trong BTXM truyền thống có thể làm tăng độ bền của bê tông lên từ 1,15 đến

2 lần; tro bay có thể dùng tới 70 % khối lượng chất kết dính do đó góp phần quan

trọng trong việc giảm khối lượng xi măng, vì vậy giảm đáng kể lượng khí thải CO2.

Bê tông xi măng tro bay có lượng nhiệt thủy hóa thấp, nhờ đó làm giảm khả năng

xảy ra nứt trên mặt đường do tác dụng của nhiệt độ và co ngót ở giai đoạn tuổi sớm

so với BTXM poóc lăng truyền thống.

Trong BTXM, tro bay có ảnh hưởng nhất định đến cường độ và được biểu

hiện bằng hệ số hiệu quả tro bay (hệ số k). Tiêu chuẩn Châu Âu EN206 [62] đã đưa

ra các quy định về hệ số k. Trong khi đó ở Việt Nam, hệ số k mới chỉ được đề cập

tới trong tài liệu [9] mà chưa có công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm phù

hợp với nguồn vật liệu nước ta, vì vậy cũng chưa có phương pháp thiết kế thành

phần BTXM tro bay theo hệ số k.

Các công trình nghiên cứu về tro bay trong bê tông ở Việt Nam chủ yếu cho

bê tông đầm lăn; làm mặt đường giao thông nông thôn và đường cấp thấp hoặc làm

lớp móng đường cấp cao, chưa có công trình nghiên cứu và thực nghiệm có hệ

thống và đầy đủ về các tính chất và tính năng cơ học của BTXM tro bay để làm mặt

đường quốc lộ và mặt đường cấp cao.

Với các phân tích nêu trên, việc nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến tính

toán, thiết kế thành phần BTXM; nghiên cứu tính chất cơ học, độ bền, tính công tác

của BTXM tro bay để làm mặt đường ô tô trong đề tài “Nghiên cứu ứng dụng bê

tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam” là cần thiết, có ý nghĩa về lý

thuyết, thực tiễn, góp phần giảm thiểu tác động đến môi trường trong điều kiện

nước ta có hàng triệu tấn tro bay thải ra mỗi năm từ các nhà máy nhiệt điện.

2. Mục tiêu nghiên cứu

- Phân tích tổng quan ảnh hưởng của tro bay đến các tính chất của bê tông và

cơ chế phản ứng trong hỗn hợp BTXM tro bay.

- Xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông (hệ số k) để làm cơ sở thiết

lập phương pháp thiết kế thành phần vật liệu BTXM theo hệ số k.

- Xác định một số tính chất của hỗn hợp, tính năng cơ học và độ bền của

BTXM tro bay đáp ứng các yêu cầu làm mặt đường ô tô.

- Thiết kế các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay và xác định ảnh hưởng

của tro bay đến cường độ, ứng suất mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm.

3. Phạm vi nghiên cứu của luận án

- Sử dụng vật liệu tro bay nhiệt điện Phả Lại sau tuyển đáp ứng các yêu cầu

kỹ thuật theo tiêu chuẩn ASTM C618 (loại F) và xi măng poóc lăng PC40 có cường

độ cao và độ ổn định, phù hợp với yêu cầu làm mặt đường quốc lộ và cấp cao.

- Thí nghiệm các tính năng cơ học chính của BTXM tro bay theo yêu cầu về

thiết kế và thi công để làm lớp trên của mặt đường ô tô.

- Trong thiết kết cấu áo đường BTXM tro bay có sử dụng các số liệu về tải

trọng, khí hậu, lớp móng và đất nền đường theo quyết định QĐ3230 [12].

4. Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm trong phòng. Kết quả nghiên

cứu được so sánh với các công trình đã nghiên cứu và công bố trên thế giới nên có

độ tin cậy nhất định.

5. Bố cục của luận án

Luận án có bố cục gồm phần mở đầu, 4 chương và kết luận, kiến nghị như sau:

Chương 1: Tổng quan về BTXM tro bay. Nội dung trình bày khái quát về

BTXM tro bay, cơ chế phản ứng thủy hóa và phản ứng puzơlan; phân tích ảnh

hưởng của tro bay đến các tính năng bê tông từ đó rút ra các nhận xét và kết luận

làm định hướng cho các phần nghiên cứu tiếp theo.

Chương 2: Xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông và thiết kế thành

phần BTXM tro bay. Nội dung trình bày phương pháp xác định hệ số k và kết quả

thí nghiệm. Từ đó xây dựng phương pháp lựa chọn thành phần vật liệu bê tông theo

hệ số k.

Chương 3: Thí nghiệm một số tính năng của BTXM tro bay làm mặt đường ô

tô. Nội dung trình bày các kết quả thí nghiệm một số tính chất của hỗn hợp, tính

năng cơ học và độ bền của BTXM tro bay làm mặt đường ô tô.

Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trong kết cấu mặt đường ô

tô. Nội dung phân tích khả năng ứng dụng BTXM tro bay và thiết kế các dạng kết

cấu áo đường. Tính cường độ chịu kéo giới hạn của bê tông và thiết lập nội dung

kiểm toán ứng suất kéo trong mặt đường bê tông tuổi sớm. Phân tích ảnh hưởng của

tro bay đến cường độ, ứng suất và khả năng kháng nứt trên mặt đường BTXM giai

đoạn tuổi sớm.

Kết luận và kiến nghị.

6. Những đóng góp mới của luận án

- Đã xây dựng mô hình để xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông (k) trên cơ

−

(

1)1

+−

)5,01( ω f

sở công thức cường độ nén của Bolomey cải tiến:

trong đó: f, ω – tương ứng là tỷ lệ tro bay / chất kết dính và tỷ lệ nước / chất kết

dính; Rs – hệ số cường độ được xác định bằng thực nghiệm.

Đã thí nghiệm xác định hệ số k với nguồn vật liệu tro bay ở nước ta như sau:

+ Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 15 ÷ 35 %): hệ số k = 0,70 ÷ 0,40;

+ Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 35 ÷ 70 %): hệ số k = 0,40 ÷ 0,27.

- Đã thiết lập trình tự thiết kế thành phần vật liệu BTXM tro bay gồm 8 bước. Trong

đó hệ số k được dùng để điều chỉnh hàm lượng chất kết dính gồm xi măng (XFC) và

tro bay (F) nhằm đạt được cường độ nén và cường độ kéo uốn thiết kế ở tuổi 28

ngày như sau:

X FC

1 − k (1 +

f )1 −

f −

(1 +

và (kg)

trong đó: XFC , X0 – khối lượng xi măng trong BTXM tro bay và khối lượng xi măng

trong BTXM poóc lăng thông thường (không có tro bay).

- Đã thí nghiệm để đưa ra được các thông số chủ yếu về cường độ chịu nén, cường

độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ mài mòn, độ thấm nước, tính công tác của

BTXM tro bay trong kết cấu mặt đường ô tô; đề xuất cấu tạo các dạng kết cấu mặt

đường ô tô sử dụng BTXM tro bay và kiến nghị phạm vi áp dụng.

- Đã nghiên cứu tính toán cường độ, ứng suất nhiệt trong mặt đường BTXM ở giai

đoạn tuổi sớm và phân tích ảnh hưởng của tro bay đến việc cải thiện khả năng

kháng nứt mặt đường trong giai đoạn này.

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm

về hệ số hiệu quả tro bay (k) và phương pháp thiết kế thành phần bê tông theo hệ số

k có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy và nghiên cứu phát

triển BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam.

Công thức thành phần vật liệu và các dạng kết cấu áo đường bằng BTXM tro

bay có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư thiết kế trong

tương lai khi có nhiều công trình đường quốc lộ và cấp cao được xây dựng bằng vật

liệu BTXM.

Nội dung tính và kiểm toán ứng suất kéo trong mặt đường BTXM giai đoạn

tuổi sớm có ý nghĩa quan trọng, qua đó có thể đưa ra các giải pháp (sử dụng tro bay)

để giảm thiểu vết nứt trên mặt đường khi cường độ bê tông còn thấp.

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY

Trong phạm vi tổng quan trình bày các quy định chung đối với BTXM làm

mặt đường ô tô; khái quát về BTXM tro bay và các quá trình phản ứng thủy hóa,

phản ứng puzơlan; ảnh hưởng của tro bay đến các đặc tính của bê tông và các công

trình nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trong xây dựng đường ô tô trên thế giới

và Việt Nam.

1.1. Khái quát về mặt đường bê tông xi măng

Mặt đường BTXM là loại mặt đường cứng, cấp cao thường được dùng làm

mặt đường trong sân bay và trên các trục đường ô tô có nhiều xe tải nặng, áp suất

bánh xe lên mặt đường từ 5 ÷ 7 kPa, mật độ xe lớn và tốc độ xe chạy cao [1],[3],[4].

Trong quá trình phát triển với sự xuất hiện của nhiều vật liệu mới và công

nghệ thi công liên tục được cải tiến đã thúc đẩy sự ra đời của nhiều loại mặt đường

BTXM khác nhau. Theo các tài liệu [1],[3],[11],[31] thì mặt đường BTXM gồm các

loại kết cấu chính: mặt đường BTXM thông thường; mặt đường BTXM cốt thép có

khe nối; mặt đường BTXM lưới thép và mặt đường BTXM lưới thép liên tục.

Hiện nay ở nước ta chưa có TCVN chính thức nên việc thiết kế mặt đường

BTXM được thực hiện theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT [12]; thi công và

nghiệm thu theo Quyết định số 1951/QĐ-BGTVT [13] do Bộ GTVT ban hành.

1.1.1. Quy định về tính năng của bê tông xi măng

Theo các quy định kỹ thuật [12],[13] thì BTXM làm mặt đường ô tô phải đáp

ứng được các yêu cầu chính như sau:

a. Cường độ kéo kéo uốn (cường độ kéo uốn)

kuR ) đối với đường cấp II trở lên phải lớn hơn

Cường độ kéo uốn thiết kế (

5,0 MPa và với đường cấp III trở xuống phải lớn hơn 4,5 MPa.

b. Cường độ nén

Trong các quy định [12],[13] không đưa ra yêu cầu trực tiếp về cường độ nén

nR ). Trong khi đó đây là chỉ tiêu quan trọng cần được xác định để tính

thiết kế (

toán, thiết kế thành phần vật liệu bê tông; theo các tài liệu [8],[9] giữa cường độ nén

và kéo uốn có mối quan hệ như sau:

tk R = ku

tk Rk n r

(MPa) (1.1)

tk tk ku RR , n

trong đó: – tương ứng là cường độ kéo uốn và cường độ nén thiết kế;

kr – hệ số có giá trị trong khoảng 0,70 ÷ 0,75. Bê tông có cường độ nén

càng cao thì kr càng nhỏ do tốc độ phát triển cường độ kéo uốn chậm hơn cường độ

nén. Với hệ số kr tối thiểu là 0,7 thì khi đó cường độ nén thiết kế của bê tông được

xác định như trong Bảng 1.1.

Bảng 1.1 – Cường độ thiết kế của BTXM làm mặt đường ô tô

Cường độ thiết kế, MPa TT Loại mặt đường BTXM Kéo uốn Nén

1 Mặt đường cao tốc, cấp I, cấp II ≥ 5,0 ≥ 51,0

2 Mặt đường cấp III trở xuống ≥ 4,5 ≥ 41,3

Bên cạnh đó, theo quy định [12],[13] thì cường độ trung bình yêu cầu chế tạo

trong phòng thí nghiệm cần lớn hơn cường độ thiết kế tối thiểu từ 1,15 ÷ 1,2 lần.

c. Độ mài mòn

Với mặt đường ô tô cấp III trở lên, độ mài mòn phải nhỏ hơn 0,3 g/cm2; với

đường ô tô cấp IV trở xuống phải nhỏ hơn 0,6 g/cm2.

1.1.2. Quy định về vật liệu chế tạo bê tông xi măng

a) Xi măng

Theo quy định [13] thì có thể sử dụng các loại xi măng poóc lăng, poóc lăng

hỗn hợp, poóc lăng bền sunphát để làm mặt đường BTXM.

- Hàm lượng xi măng tối đa không nên lớn hơn 400 kg/m3; hàm lượng xi măng tối thiểu phải lớn hơn 290 kg/m3 [1],[13].

- Tỷ lệ nước / xi măng (N/X) lớn nhất trong phạm vi 0,44 ÷ 0,48; mặt đường cấp

càng cao thì chọn trị số N/X lớn nhất càng nhỏ [1],[13].

b) Cốt liệu nhỏ (Cát)

Cát có thể là cát sông hoặc cát xay có thành phần hạt hợp lý thì độ rỗng nhỏ,

cường độ bê tông sẽ cao, mô đun độ lớn trong phạm vi 2,2 ÷ 3,5 [13].

c. Cốt liệu thô (Đá dăm)

Cốt liệu thô có thể là đá dăm, sỏi cuội nghiền tạo ra bộ khung chịu lực cho bê

tông và có thành phần hạt theo quy định. Cỡ hạt danh định lớn nhất không lớn hơn

25 mm với sỏi cuội nghiền; không lớn hơn 37,5 mm đối với đá dăm.

d) Yêu cầu về nước

Nước không lẫn dầu mỡ, các tạp chất hữu cơ, độ pH ≥ 4; hàm lượng muối ≤

0,005 mg / mm3 và hàm lượng ion SO4 ≤ 0,0027 mg / mm3.

e) Yêu cầu về phụ gia

Trong bê tông có thể sử dụng các loại phụ gia giảm nước, phụ gia làm chậm

đông kết và phụ gia khoáng hoạt tính cao.

1.2. Khái quát về bê tông xi măng tro bay

1.2.1. Khái niệm bê tông xi măng tro bay

Theo ACI 232R [37], bê tông xi măng tro bay (FC) được hiểu là bê tông xi

măng poóc lăng (PC) trong đó có sử dụng tro bay với một hàm lượng nhất định để

thay thế một phần chất kết dính xi măng poóc lăng.

Theo Michael [86] trong lịch sử phát triển, tro bay được sử dụng trong

BTXM với các hàm lượng khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của công

trình (Bảng 1.2). Ở mức độ thông thường, để đáp ứng các yêu cầu về cường độ kết

cấu thì tỷ lệ tro bay từ 15 ÷ 30 % khối lượng chất kết dính; ở hàm lượng cao hơn từ

30 ÷ 50 % dùng cho các công trình thủy điện và đập nhằm kiểm soát nhiệt độ trong

các kết cấu bê tông khối lớn. Trong những năm gần đây đã phát triển những loại bê

tông có hàm lượng tro bay rất cao trên 50 % dùng cho các kết cấu công trình yêu

cầu đòi hỏi về độ bền cao.

Hiện nay với BTXM chất lượng cao (HPC), hàm lượng tro bay thường dùng

từ 10 ÷ 30 % lượng chất kết dính. Trong BTXM lượng tro bay thêm vào bằng hoặc

cao hơn lượng xi măng bớt đi, vì tro bay có khối lượng riêng nhỏ hơn xi măng. Các

nghiên cứu của Owen [80], của Jiang và cộng sự [74] cho ra rằng với BTXM chất

lượng cao tùy thuộc vào chất lượng tro bay và lượng xi măng được thay thế. Mức

độ tổn thất độ sụt của BTXM tro bay thường nhỏ hơn, điều này rất phù hợp với điều

kiện thi công ở nhiệt độ cao ở nước ta [28]. Theo Mehta [91], sử dụng tro bay trong

bê tông chất lượng cao còn có các tác dụng giảm sự co ngót, giảm nứt do nhiệt và

tăng độ bền chống thấm nước.

Bảng 1.2 – Phân loại hàm lượng tro bay trong BTXM

TT Tỷ lệ tro bay / chất kết dính Phân loại theo hàm lượng tro bay

1 < 15 % Thấp

2 Trung bình 15 ÷ 30 %

3 Cao 30 ÷ 50 %

4 > 50 % Rất cao

1.2.2. Tính chất tro bay nhiệt điện

Tro bay nhiệt điện là sản phẩm muội sinh ra trong quá trình đốt than ở các

nhà máy nhiệt điện. Tro bay trong khí thải được thu thập lại bởi thiết bị lọc bụi tĩnh

điện. Khi lơ lửng trong khí thải, các hạt tro bay thường có dạng hình cầu kích thước

từ 0,5 µm đến 100 µm. Thành phần chủ yếu là dioxide silic (SiO2) dưới dạng vô

định hình và tinh thể, oxit nhôm (Al2O3) và oxit sắt (Fe2O3). Tính chất hóa học của

các oxit trong tro bay chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hóa học của loại than được

đốt cháy [2],[7],[43],[58],[76].

Tiêu chuẩn ASTM C618 [43] phân tro bay thành hai loại chính là tro bay loại

F và loại C, sự khác biệt chính của hai loại này là ở các hàm lượng oxit canxi, oxit

silic, oxit nhôm và oxit sắt có trong từng loại tro bay. Tro bay loại F có hàm lượng

SiO2, Al2O3 cao và hàm lượng CaO, MgO thấp. Ngược lại tro bay loại C có hàm

lượng SiO2, Al2O3 thấp và hàm lượng CaO, MgO cao. Tiêu chuẩn TCVN

10302:2014 [22] cũng đã đưa ra quy định về tro bay tùy theo lĩnh vực sử dụng như

trong Bảng 1.3.

Bảng 1.3 – Chỉ tiêu chất lượng chính của tro bay dùng cho BTXM

TCVN 10302:2014 [22] TT Thành phần Tiêu chuẩn Mỹ (ASTM C618) [43]

C F F C F C

50 1 70 70 45 70 45

5 3 2 3 5 3 5 3 5 3 3 3 5 3

6 4 6 15 9 12 5 SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, min % SO3, max % Độ ẩm, max % Hàm lượng mất khi nung MKN, max %

- 5 Lĩnh vực - BTXM cốt thép BTXM không cốt thép

Theo Bảng 1.3 cho thấy các chỉ tiêu về hàm lượng ôxit (SiO2 + Al2O3 +

Fe2O3), hàm lượng SO3, độ ẩm của hai tiêu chuẩn là gần tương đương nhau; trong

khi đó chỉ tiêu về hàm lượng mất khi nung trong TCVN 10302:2014 được nới rộng

hơn so với ASTM C618.

1.2.3. Công nghệ tuyển tro bay nhiệt điện

Khi nhiên liệu than đi qua khu vực nhiệt độ cao trong lò, các thành phần vật

liệu không ổn định và các bon bị đốt cháy trong khi những tạp chất khoáng khác

được cuốn đi theo ống khói dưới dạng tro. Phần lớn tro cuốn ra ngoài theo đường

ống khói được gọi là tro bay. Sau đó tro bay được tách ra khỏi ống khói bằng

phương pháp lọc tĩnh điện và màng lọc. Ở các nhà máy nhiệt điện hiện đại, tro bay

sau khi được lọc tĩnh điện thì có thể dùng trực tiếp như là vật liệu cho BTXM mà

không cần phải có biện pháp xử lý [7].

Để tro bay trở thành vật liệu sản xuất bê tông thì cần phải qua quá trình

tuyển, tổng công suất tuyển hiện nay khoảng 500.000 tấn/năm [7]. Các công nghệ

tuyển bao gồm công nghệ tuyển nổi; công nghệ tách tĩnh điện; công nghệ phân ly

bằng ly tâm; công nghệ đốt các bon [26],[33].

1.2.4. Sản lượng tro bay ở Việt Nam

Nước ta có nguồn nguyên liệu than dồi dào với trữ lượng lớn, phần lớn các

nhà máy nhiệt điện đốt than chủ yếu tập trung ở phía Bắc do gần nguồn than. Trong

quá trình đốt tạo ra lượng tro và xỉ rất lớn, chiếm khoảng 30 % ÷ 35 % lượng than

sử dụng; khoảng 20 ÷ 30 % tro xỉ hình thành rơi xuống đáy lò hơi thành xỉ đơn,

phần còn lại khoảng 70 ÷ 80 % là tro bay [7]. Theo số liệu báo cáo của Hội tuyển

khoáng Việt Nam [7], thì mỗi năm sản xuất hàng triệu tấn tro bay (Bảng 1.4 ).

Bảng 1.4 – Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2005 đến 2020

TT Năm Tiêu thụ than (triệu tấn / năm) Lượng tro bay (triệu tấn / năm)

4,35 1 2005 1,30 ÷ 1,52

12,75 2 2010 3,82 ÷ 4,46

18,72 3 2015 5,61 ÷ 6,55

21,72 4 2020 6,51 ÷ 7,60

Với trữ lượng dồi dào nêu trên nếu không có các biện pháp xử lý hiệu quả thì

sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và lãng phí nguồn tài nguyên.

1.3. Cơ chế phản ứng trong bê tông xi măng tro bay

1.3.1. Quá trình phản ứng trong bê tông xi măng tro bay

Trong hỗn hợp xi măng và tro bay bên cạnh bốn pha khoáng vật chính của xi

măng gồm C3S, C2S, C3A và C4AF còn có thêm các thành phần oxit được bổ sung

từ các thành phần hóa học chính của tro bay gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 và CaO. Tỷ lệ

giữa các thành phần hóa học trong hỗn hợp phụ thuộc vào loại xi măng, tro bay và

tỷ lệ tro bay / chất kết dính.

Quá trình phản ứng hóa học trong BTXM tro bay diễn ra phức tạp, bao gồm

các phản ứng thủy hóa và các phản ứng puzơlan. Trong hỗn hợp, các thành phần

khoáng của xi măng sẽ tham gia các phản ứng thủy hóa trước sau đó mới đến các

phản ứng puzơlan.

1.3.1.1. Quá trình phản ứng thuỷ hoá

Các phản ứng thuỷ hoá xảy ra giữa các thành phần khoáng của xi măng với

nước [8],[23]:

(1.2) 2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

(1.3) 2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3CaO.2SiO2.2H2O + Ca(OH)2

(1.4) 3CaO.Al2O3 + 6H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O

(1.5) 4CaO.Al2O3.Fe2O3 + mH2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.nH2O

Kết quả của quá trình thủy hóa sẽ tạo thành các khoáng silicat bền nước

(CHS) và canxi hyđroxit Ca(OH)2 kém bền được giải phóng ra. Trong bê tông poóc

lăng thông thường, Ca(OH)2 có ảnh hưởng xấu tới tính chất của bê tông, làm cho bê

tông bị xốp, tạo sự phát triển các cấu trúc vi nứt, làm yếu liên kết với cốt liệu và làm

ảnh hưởng đến độ bền của bê tông.

Trong giai đoạn đầu tro bay hầu như không có hoạt tính, mà đóng vai trò như

một vật liệu trơ chèn lấp trong các lỗ rỗng hỗn hợp [52],[67],[78]. Theo thời gian,

quá trình thủy hóa vẫn tiếp tục làm cho môi trường có tính kiềm tăng dần lên (nồng độ ion OH- tăng), nhờ đó đã kích hoạt các tính chất thủy lực tiềm ẩn trong tro bay

để tạo ra các phản ứng puzơlan.

1.3.1.2. Quá trình phản ứng puzơlan

Các phản ứng puzơlan được xảy ra giữa các thành phần hoạt tính trong tro

bay (SiO2, Al2O3) với Ca(OH)2 và nước [67]:

(1.6) 2SiO2 + 3Ca(OH)2 = 3CaO.2SiO2.3H2O (C3S2H3)

Al2O3 + CaSO4.2H2O + 3Ca(OH)2 + 7H2O = 4CaO.Al2O3.SO3.12H2O

(1.7) (C4ASH12)

(1.8) Al2O3 + 4Ca(OH)2 + 9H2O = 4CaO.Al2O3.13H2O (C4AH13)

Quá trình phản ứng trong hỗn hợp bê tông xi măng thông thường được mô tả

tóm tắt theo sơ đồ Hình 1.1 và trong hỗn hợp bê tông xi măng - tro bay theo sơ đồ

Hình 1.2.

Kết quả của quá trình phản ứng puzơlan đã chuyển hóa thành phần Ca(OH)2

thành các sản phẩm CSH (C3S2H3, C4ASH12,C4AH13) bền vững, có tác dụng tăng

khả năng chống thấm, chống ăn mòn, chịu nhiệt độ và tăng thêm cường độ cho bê

tông. Điều này cho thấy rằng nhiều loại BTXM khi sử dụng tro bay hợp lý có thể

cải thiện các đặc tính cơ lý tốt hơn so với bê tông xi măng thông thường. Do quá

trình phản ứng puzơlan, các hạt tro bay mất dạng hình cầu ban đầu và dần dần được

bao phủ bởi một lớp sản phẩm mới và sau sáu tháng thì không còn xác định được

hình dạng ban đầu [67].

Quá trình phản ứng thủy hóa xi măng đã bao gồm các chuỗi phản ứng phức

tạp, khi có thêm tro bay thì các quá trình phản ứng lại càng diễn ra phức tạp hơn.

Hoạt động của các hạt tro bay làm ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa xi măng nhưng

không phải tất cả các hạt tro bay đều tham gia phản ứng, mà chỉ một phần hoạt tính

nhất định.

Hình 1.1 – Quá trình phản ứng trong BTXM không tro bay

Hình 1.2 – Quá trình phản ứng trong BTXM tro bay

1.3.2. Mức độ phản ứng puzơlan tro bay

Theo nghiên cứu của L.Lam [78], các phản ứng puzơlan bắt đầu xảy ra ở

ngày thứ 3 đến ngày thứ 7 và tiếp tục được diễn ra sau đó; L.Lam cũng cho rằng

trong giai đoạn đầu, tro bay chủ yếu có tác dụng vật lý lấp đầy lỗ rỗng và tham gia

vào sự hình thành sản phẩm phức hợp Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O.

Theo Zhang [103] với BTXM nhiều tro bay, chỉ một phần tro bay tham gia

phản ứng, còn lại phần lớn không phản ứng, ngay cả sau thời gian dài hỗn hợp được

bảo dưỡng. Hỗn hợp BTXM nhiều tro bay được coi như là một vật liệu composite

với hạt tro bay có tác dụng như là hạt siêu nhỏ lấp đầy lỗ rỗng trong hỗn hợp.

Trong hỗn hợp BTXM poóc lăng thông thường, để phản ứng thủy hóa diễn

ra đầy đủ, với lượng C3S và C2S điển hình thì cần khoảng 20 ÷ 25 % lượng nước và

tạo ra 20 ÷ 25 % lượng Ca(OH)2 [52]. Trong nghiên cứu của L.Lam [78], với hỗn

hợp BTXM tro bay, lượng Ca(OH)2 giảm đi theo việc tăng lượng tro bay và tuổi bê

tông; điều này chứng tỏ quá trình phản ứng puzơlan đã hấp thụ Ca(OH)2 như trong

g n ă m

X g 0 0 1 /

biểu đồ Hình 1.3.

2 )

Hình 1.3 – Hàm lượng

H O ( a C g n ợ ư L

Tuổi bê tông

Ca(OH)2 trong bê tông

Theo Zhang [103], đến ngày thứ 7 chỉ có khoảng 5 % tro bay tham gia phản

ứng puzơlan với Ca(OH)2, đến ngày thứ 28 mức độ phản ứng tro bay tăng lên đáng

kể (gấp khoảng 2 lần so với ở 7 ngày) và tiếp tục tăng sau 90 ngày (gấp 3 ÷ 4 lần)

và có thể đạt được khoảng 30 % như trong biểu đồ Hình 1.4.

a) N / CKD = 0,3 b) N / CKD = 0,5

Hình 1.4 – Mức độ phản ứng puzơlan của tro bay trong bê tông

1.3.3. Mức độ phản ứng thủy hóa xi măng

Đối với BTXM tro bay thì không thể xác định trực tiếp mức độ thủy hóa xi

măng vì quá trình phản ứng puzơlan hấp thụ một phần Ca(OH)2 và H2O. Vì vậy

Babu [50] đã xây dựng công thức xác định mức độ thủy hóa xi măng có xét đến ảnh

)

b +

− XN /(e

hưởng của tro bay như sau:

=α X

(1.9)

trong đó: αX – mức độ thủy hóa xi măng trong BTXM tro bay;

a , b – các hằng số thực nghiệm;

k – hệ số hiệu quả tro bay (được trình bày ở mục 1.5.1).

1.4. Ảnh hưởng của tro bay đến các tính năng của bê tông xi măng

1.4.1. Lịch sử nghiên cứu tro bay trong bê tông xi măng

Năm 1932, lần đầu tiên các nghiên cứu về tro bay được thực hiện bởi Công

ty Cleveland và Công ty Detroit Edison. Đến năm 1937, David và các cộng sự tại

trường Đại học California đã nghiên cứu sử dụng tro bay để chế tạo bê tông [35].

Theo Giaccio và Malhotra [68], BTXM tro bay lần đầu tiên được sử dụng

cho các đập thủy điện Hoover và Horse ở Mỹ vào những năm 1940 đã đem lại

những bước đột phá lớn làm giảm đáng kể khối lượng xi măng sử dụng.

Năm 1968, M. Kohubu [77], đã có bước đột phá lớn trong việc nghiên cứu

sử dụng tro bay trong bê tông do nhận thấy tro bay có tính chất của vật liệu puzơlan.

Hình dạng cầu của các hạt làm giảm nội ma sát, do đó làm tăng độ đặc và linh động

của hỗn hợp bê tông.

Năm 1987, Helmuth [70] đã có những nghiên cứu về tro bay dùng trong sản

xuất xi măng và bê tông công nghiệp; khuyến nghị dùng trong xây dựng đường ô tô

thì sẽ đem lại các lợi ích to lớn về kinh tế và môi trường.

Năm 1988, Adams [48] đã có những nghiên cứu ứng dụng tro bay trong bê

tông mặt đường ô tô và đưa ra các khuyến nghị nên sử dụng bởi các đặc tính kỹ

thuật của loại bê tông này là hoàn toàn phù hợp.

Giaccio và Malhotra [68] đã phát triển loại BTXM có hàm lượng tro bay cao.

Malhotra và Mehta [81] đã phát triển loại bê tông có cường độ tuổi sớm ở mức vừa

đủ, có tính công tác tốt, nhiệt độ thủy hóa tỏa ra giảm, đạt cường độ cao ở tuổi

muộn, co ngót thấp và độ bền tốt.

1.4.2. Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất của hỗn hợp bê tông

1.4.2.1. Tính công tác

Theo Michael [86], hạt tro nhỏ, tròn và mịn hơn hạt xi măng nên nếu cùng

lượng nước như nhau thì BTXM tro bay có độ sụt lớn hơn BTXM thông thường

nhờ đó làm tăng tính công tác cho thi công. Bên cạnh đó, khi kết cấu không yêu cầu

độ sụt cao thì có thể giảm lượng nước yêu cầu: cứ thêm 10 % tro bay thì sẽ giảm đi

ít nhất 3 % lượng nước. Còn theo FHWA [63], khi tro bay được sử dụng trên 20 %

chất kết dính, lượng nước có thể giảm đi 10 % do đó góp phần làm giảm co ngót

khô và rạn nứt mặt đường.

Khi so sánh cùng một độ sụt nhất định giữa BTXM tro bay và BTXM thông

thường, theo Owen [80] độ mịn của hạt tro bay làm giảm lượng nước yêu cầu (Hình

1.5); trong khi đó theo Sturrup [98], tro bay có lượng tổn thất càng bé thì lượng

nước yêu cầu càng nhỏ (Hình 1.6).

Hình 1.5 – Ảnh hưởng của độ mịn tro bay đến lượng nước yêu cầu Hình 1.6 – Ảnh hưởng của lượng tổn thất khi nung đến lượng nước yêu cầu

1.4.2.2. Tính tách nước

Theo Gebler và cộng sự [65], tro bay làm giảm tỷ lệ và lượng tách nước ban

đầu trong bê tông vì lượng nước yêu cầu giảm; đặc biệt quá trình tách nước kết thúc

sau quá trình bảo dưỡng bê tông.

1.4.2.3. Hàm lượng cuốn khí

Theo Pistilli [93], BTXM tro bay loại C hàm lượng cuốn khí nhỏ hơn so với

BTXM tro bay loại F.

1.4.2.4. Thời gian đông kết của bê tông

Theo Hiệp hội bê tông quốc tế [57], với các loại bê tông có cùng cường độ

và tính công tác thì tro bay loại F làm chậm thời gian bắt đầu và kéo dài thời gian

kết thúc đông kết bê tông (Hình 1.7).

Hình 1.7 – Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến thời gian đông kết bê tông

1.4.2.5. Nhiệt độ tỏa ra trong quá trình đóng rắn bê tông

Các nghiên cứu đầu tiên về nhiệt độ tỏa ra trong BTXM tro bay được thực

hiện bởi Mustard năm 1959 [89] cho thấy: khi thay thế 30 % xi măng bằng tro bay loại F đã làm giảm nhiệt thủy hóa lớn nhất từ 47 0C xuống 32 0C (Hình 1.8).

Hình 1.8 – Ảnh hưởng của tro bay đến nhiệt độ thủy hóa trong bê tông

1.4.2.6. Thời gian kết thúc đóng rắn bê tông

Theo Mahotra và Mehat [81], sử dụng tro bay trong bê tông làm chậm thời

gian kết thúc đông kết. Ở nhiệt độ bình thường tốc độ phản ứng puzơlan chậm hơn

so với tốc độ phản ứng thủy hóa xi măng.

1.4.3. Ảnh hưởng của tro bay đến tính năng bê tông

1.4.3.1. Sự phát triển cường độ nén

Theo Michael [86] khi tỷ lệ tro bay / CKD tăng, thì cường độ tuổi sớm giảm;

tuy nhiên cường độ ở tuổi muộn (sau 28 ngày) tăng, ở 56 ngày xấp xỉ bằng và tới 90

ngày có thể cao hơn so với BTXM poóc lăng thông thường (Hình 1.9).

Hình 1.9 – Ảnh hưởng của tro bay đến sự phát triển cường độ nén bê tông

1.4.3.2. Tính năng cơ học khác của bê tông

Theo Mahotra và Mehta [81], khi tỷ lệ tro bay / CKD sử dụng vừa và thấp thì

ảnh hưởng không đáng kể đến giá trị mô đun đàn hồi, cường độ kéo uốn và kéo dọc

trục. Trong khi đó với bê tông có hàm lượng tro bay cao thì ở tuổi muộn, mô đun

đàn hồi, cường độ kéo uốn và kéo dọc trục tiếp tục được cải thiện so với ở 28 ngày

nhờ phản ứng pozolan tiếp tục diễn ra và các hạt tro bay không phản ứng thì đóng

vai trò là hạt mịn lấp đầy các lỗ rỗng.

1.4.3.3. Từ biến bê tông

Theo nghiên cứu của Lane và cộng sự [79]; của Yuan và cộng sự [102], ở

tuổi sớm thì từ biến BTXM tro bay cao hơn so với BTXM thông thường bởi lúc này

cường độ thấp hơn. Tuy nhiên sau 28 ngày, cường độ hai loại bê tông đạt được bằng

nhau và sau đó cường độ BTXM tro bay tiếp tục phát triển thì từ biến sẽ nhỏ hơn.

1.4.3.4. Co ngót khô

Theo Mahotra và Mehta [81], Atis [49] thì co ngót khô trong BTXM tro bay

là thấp hơn so với BTXM thông thường khi lượng nước yêu cầu nhỏ hơn.

1.4.4. Ảnh hưởng của tro bay đến độ bền bê tông

1.4.4.1. Độ mài mòn

Theo các nghiên cứu của Gebler [66], thì khả năng chịu mài mòn của bê tông

chủ yếu phụ thuộc vào tính chất của cốt liệu và cường độ bê tông. Với BTXM tro

bay thì độ mài mòn còn phụ thuộc vào độ đặc của hỗn hợp.

1.4.4.2. Độ chống thấm nước và ion clo

Theo nghiên cứu của Sujjavanich và cộng sự [94], Ozkan Sengul [95],

Thomas [100], có chung kết luận rằng tro bay cải thiện khả năng chống thấm nước

và ion clo do thành phần hạt mịn làm cho cấu trúc bê tông trở nên đặc chắc hơn.

Theo các dữ liệu trong ASTM C1202 [46], với bê tông có tỷ lệ nước / CKD

là 0,4 và được dưỡng ẩm liên tục cho thấy ở 28 ngày độ thấm ion clo của BTXM tro

bay bắt đầu thấp hơn BTXM không tro bay và sau 7 năm thì thấp hơn từ 4 đến 29

lần (Hình 1.10).

Hình 1.10 – Ảnh hưởng của hàm lượng tro bay đến độ thấm ion clo.

1.4.4.3. Phản ứng kiềm-silicat

Theo các nghiên cứu của Shehata [96], khi BTXM tro bay loại F có tỷ lệ từ

20 ÷ 30 % chất kết dính sẽ có tác động lớn đến việc kiểm soát phản ứng kiềm-silicat

và làm giảm lượng hydroxit kiềm. Bê tông xi măng tro bay loại C thì ảnh hưởng

này rất thấp.

1.4.4.4. Độ bền sunphat

Theo các nghiên cứu của Dunstan [61], Mehta [85] và Tikalsky [99] cho thấy

BTXM tro bay loại F có hàm lượng CaO thấp làm tăng khả năng chống ăn mòn

sunphat khi tấm bê tông tiếp xúc với môi trường đất và nước.

1.4.4.5. Tốc độ cacbon hóa

Theo các nghiên cứu của Dhir [60], Hobbs [71], Matthews [88] đều cho thấy

khi so sánh ở cùng cường độ nén 28 ngày thì tốc độ cacbon hóa của BTXM tro bay

tương tự như BTXM không tro bay.

1.4.4.6. Khả năng chống nứt do nhiệt độ và do co ngót

Theo Mehta [84], với bê tông có 50 % tro bay loại F thì sự gia tăng nhiệt độ

trong bê tông chỉ bằng 30 ÷ 35 0C.

1.5. Hệ số hiệu quả tro bay và phương pháp thiết kế thành phần BTXM tro bay

1.5.1. Khái niệm hệ số hiệu quả tro bay

Để xác định mức độ ảnh hưởng của tro bay trong bê tông, Smith [97] đã

nghiên cứu sự phát triển cường độ theo phản ứng puzơlan thông qua hệ số hiệu quả

- ký hiệu (k). Smith là người đầu tiên đề xuất khái niệm “Hệ số hiệu quả tro bay –

k” là hệ số dùng để tính đổi tương đương một lượng tro bay có khối lượng (F) ra

thành một lượng xi măng poóclăng có khối lượng (k.F) và trong công thức cường

độ nén bê tông theo Bolomey, tỷ lệ nước / xi măng (N / X) được chuyển thành tỷ lệ

nước / xi măng quy đổi – N / (X + k.F). Theo Smith [97], mối quan hệ giữa cường

độ nén với tỷ lệ N / X của bê tông thông thường cũng phù hợp đối với BTXM tro

bay, có nghĩa là cường độ của BTXM tro bay có quan hệ với tỷ lệ nước / xi măng

quy đổi – N / (X + k.F).

1.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số hiệu quả tro bay

Hệ số hiệu quả tro bay chịu ảnh hưởng bởi các tính chất vật lý và hoá học

của loại tro bay, tỷ lệ tro bay / CKD trong hỗn hợp, tỷ lệ nước / CKD, tuổi bê tông

và loại xi măng. Một số nghiên cứu đã phân chia các yếu tố tác động thành các

nhóm riêng rẽ. Theo nghiên cứu của Munday [87], hệ số k phụ thuộc vào loại tro

bay, tuổi bê tông và loại xi măng. Hassaballah [69] nghiên cứu thấy rằng hệ số k

còn chịu ảnh hưởng của các thông số hỗn hợp, cường độ, tỷ lệ tro bay / CKD và

tuổi bê tông. J.Bijen [53] cho rằng ảnh hưởng của loại xi măng lại có ảnh hưởng

đáng kể. Đối với xi măng poóclăng thông thường, hệ số k còn phụ thuộc vào tuổi,

thời gian bảo dưỡng và nhiệt độ của hỗn hợp chế tạo. Hwang [72] đã nghiên cứu

ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay / CKD, độ mịn và tuổi bê tông đến sự phát triển cường

độ của BTXM tro bay. Papadakis [92] đã có các nghiên cứu cơ bản xác định hệ số

hiệu quả tro bay trong bê tông, trong đó ảnh hưởng của loại tro bay (thành phần

khoáng vật) và tỷ lệ tro bay / CKD có ảnh hưởng quan trọng.

Babu [50] đã nghiên cứu trên 70 loại BTXM tro bay với xi măng poóclăng

và bảo dưỡng trong điều kiện thông thường, với các tỷ lệ tro bay / CKD từ 15 ÷ 75

% ở các tuổi khác nhau và với các tỷ lệ N / CKD khác nhau. Kết quả nghiên cứu cho

thấy, hệ số k phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ tro bay / CKD và tuổi dưỡng mẫu. Vì vậy,

Babu đã phân hệ số k theo hai loại là ke và kp; trong đó ke phụ thuộc vào tuổi bê

tông; kp phụ thuộc vào tỷ lệ tro bay / CKD (f) và tỷ lệ N / CKD.

* Hệ số hiệu quả tro bay (kp) theo tỷ lệ tro bay / CKD và nước / CKD

Dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, năm 1967 Smith [97] đề xuất

giá trị kp bằng 0,25 khi tro bay thay thế đến 25 % xi măng. Sau đó, tiêu chuẩn của

Đức đã sử dụng giá trị là 0,3 với sự thay thế 10 ÷ 25 %; tiêu chuẩn Anh đề nghị một

giá trị là 0,3 với tỷ lệ phần trăm thay thế lên đến 50 %; tiêu chuẩn CEB-FIP đã đề

xuất hệ số hiệu quả 0,4 để thay thế giữa 15 ÷ 40 %; tiêu chuẩn Đan Mạch quy định

hệ số hiệu quả là 0,5 và cho phép lấy cao hơn nếu chứng minh được bằng các

nghiên cứu thích hợp [54]. Bijen [53] đã báo cáo rằng bê tông với các loại xi măng

và tro bay khác nhau (thay thế đến 28 % và tỷ lệ N / X trong khoảng 0,5 ÷ 0,65) thì

hệ số hiệu quả xi măng có giá trị bằng 0,5 là thích hợp. Các nghiên cứu trên đều có

chung nhận xét rằng với tỷ lệ tro bay / CKD càng nhiều thì hiệu quả càng thấp.

Ngày nay chất lượng của tro bay đã được cải thiện rất đáng kể do việc sử

dụng các nhiên liệu than đã được nghiền thành bột và các công nghệ thu lọc, xử lý

tro bay đã có rất nhiều cải thiện. Theo kết quả nghiên cứu năm 2012 của Cho HB

[56], kp có thể lên tới 1,24 khi nghiên cứu các tỷ lệ tro bay / CKD từ 0 đến 70 % và

tỷ lệ nước / chất kết dính từ 0,35 đến 0,6.

* Hệ số hiệu quả tro bay theo tuổi (ke)

Nhiều nghiên cứu trước đây đã cho thấy rằng hiệu quả tro bay trong bê tông

phụ thuộc vào tuổi bê tông và có hiệu quả rất thấp khi bê tông ở độ tuổi sớm, khi đó

hoạt động chủ yếu của tro bay đóng vai trò như là cốt liệu mịn. Ở các độ tuổi sau đó

hiệu quả tro bay tăng lên đáng kể do tác dụng của phản ứng puzơlan.

Theo các nghiên cứu Babu [50], cường độ nén của BTXM tro bay thay đổi

theo tuổi và thông qua các kết quả thí nghiệm đã đề xuất các giá trị là 0,3; 0,5 và 0,6

tương ứng với cường độ bê tông ở các ngày thứ 7, 28 và 90. Babu cho rằng ke tăng

theo tuổi nhưng tăng chậm lại ở các ngày tuổi cao (90 ngày). Trong khi đó, khi thay

thế tro bay ở các tỷ lệ khác nhau thì giá trị kp là gần như nhau ở tất cả các tuổi

nghiên cứu, ví dụ ở cùng tỷ lệ thay thế 25 % thì kp là bằng nhau ở các tuổi 7, 28 và

90 ngày.

Theo kết luận cuối cùng của Babu [50] thì với tỷ lệ tro bay / CKD từ 15 ÷ 75

%, hệ số k thay đổi từ 0,13 ÷ 0,95; 0,33 ÷ 1,15 và 0,43 ÷ 1,25 tương ứng với các

tuổi bê tông là 7 ngày, 28 ngày và 90 ngày.

1.5.3. Khái quát về các phương pháp thiết kế thành phần bê tông xi măng tro bay

1.5.3.1. Công thức cường độ bê tông xi măng tro bay

Theo De Larrard [59], cường độ nén bê tông ở 28 ngày có thành phần tro bay

được tính theo công thức như sau:

R n

XSF

. Rk CL X XN .1,3 / .(11 − e .4,04,1 −

⎡ 1 ⎢ ⎣

⎤ ⎥ ⎦

(1.10)

trong đó: Rn , RX – tương ứng là cường độ nén bê tông và xi măng ở 28 ngày;

kCL – hệ số phụ thuộc loại cốt liệu;

N / X , (F+S) / X – tỷ lệ nước / xi măng và (tro bay + muội silic) / xi măng.

Qua các kết quả thí nghiệm, De Larrard đã định hướng thành phần bê tông

tối ưu sử dụng phụ gia khoáng tro bay gồm xi măng poóc lăng khoảng 75 %, tro bay

khoảng 20 % và muội silic khoảng 5 %. Sau khi lựa chọn tỷ lệ phối trộn phụ gia

khoáng với xi măng, cường độ bê tông được tính theo công thức Feret với nhiều tỷ

lệ thành phần khác nhau; chế tạo bê tông và hiệu chỉnh thành phần cấp phối để có

được tính công tác và đạt được cường độ yêu cầu.

1.5.3.2. Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn Viện bê tông Mỹ

Phương pháp tính thành phần bê tông của Viện bê tông Mỹ ACI 211.4R [36]

được áp dụng cho BTXM sử dụng tro bay có cường độ nén từ 42 ÷ 83 MPa, tuổi thí

nghiệm thường là 28 ngày. Chất kết dính được sử dụng gồm xi măng và tro bay /

hoặc muội silic. Phương pháp này yêu cầu để chế tạo được bê tông thì cần phải đảm

bảo việc lựa chọn các thành phần một cách tối ưu nhất bao gồm tính chất của xi

măng và tro bay; chất lượng cốt liệu và tỷ lệ phối trộn.

Các thành phần chất kết dính khác được sử dụng chủ yếu là tro bay nhằm

làm giảm bớt khối lượng xi măng quá cao và giảm tỷ lệ N / CKD. Tro bay được sử

dụng có thể là loại C hoặc loại F có lượng tổn thất khi nung không quá 6 % và có độ

mịn cao đáp ứng theo yêu cầu tiêu chuẩn ASTM C618. Tỷ lệ tro bay / CKD sử dụng

được khuyến cáo lựa chọn phụ thuộc vào loại tro bay, với tro bay loại F là 15 ÷ 25

% và tro bay loại C là 20 ÷ 35 % (theo khối lượng). Theo phương pháp này, tỷ lệ

nước / xi măng (N / X) được thay thế bằng tỷ lệ nước / chất kết dính (N / CKD) và

được khuyến cáo sử dụng từ 0,2 ÷ 0,5.

Phương pháp này được tiến hành theo 11 bước để chọn ra thành phần hỗn

hợp tối ưu nhất. Đầu tiên phải tiến hành thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông thông

thường với chất kết dính chỉ gồm xi măng poóc lăng (X0). Tiếp theo, lựa chọn loại

tro bay F hoặc C, căn cứ vào khoảng tỷ lệ được khuyến cáo sử dụng, lựa chọn với 4

loại tỷ lệ thay thế f = 20, 25, 30 và 35 %. Với mỗi loại tỷ lệ được sử dụng, tiến hành

tính khối lượng tro bay (F) và khối lượng xi măng (X) trong hỗn hợp chất kết dính

(kg). là: F = f × X0 và XFC = X0 - F

Kết quả tính có được khối lượng của các thành phần cốt liệu, nước và cát cho

từng loại bê tông. Sau đó tiến hành thí nghiệm về độ sụt và cường độ, kết quả thí

nghiệm để chọn ra tỷ lệ tro bay / CKD thích hợp. Tùy vào mục đích sử dụng, có thể

phải tiến hành thêm một số các chỉ tiêu khác (tỏa nhiệt, chống ăn mòn,...) để so sánh

lựa chọn thành phần vật liệu phù hợp.

1.5.3.3. Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam

Phương pháp thiết kế thành phần bê tông theo tiêu chuẩn TCVN 10306:2014

[22] về cơ bản dựa trên nền tảng từ các tiêu chuẩn ACI 211.4R [36]. Cường độ

trung bình yêu cầu được sử dụng để lựa chọn thành phần bê tông. Trong thành phần

vật liệu chế tạo hỗn hợp bê tông thì phụ gia khoáng đóng vai trò quan trọng được

quy định sử dụng là muội silic hoặc tro bay. Tro bay có thể là loại F hoặc loại C.

Trong đó hàm lượng tro bay kiến nghị nên sử dụng với tro bay loại F khoảng 15 ÷

25 %, với tro bay loại C khoảng 20 ÷ 35 % thay thế xi măng. Lượng nước trong hỗn

hợp bị giảm đi bằng cách sử dụng các chất giảm nước mạnh đó là phụ gia siêu dẻo.

1.5.3.4. Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn Châu Âu

Trong nội dung thiết kế phần hỗn hợp bê tông theo tiêu chuẩn Châu Âu

EN206 [62], bên cạnh chất kết dính xi măng poóc lăng thì tro bay (hoặc muội silic)

được xem như là vật liệu khoáng siêu mịn có tính xi măng hóa. Vì vậy nó được xem

như một thành phần của chất kết dính. Trong đó ảnh hưởng của tro bay đến cường

độ bê tông được thể hiện bằng hệ số hiệu quả (k); khối lượng tro bay (F) được quy

đổi thành khối lượng xi măng tương đương là kF. Khi đó khối lượng xi măng quy

đổi trong hỗn hợp bê tông là (X + k.F). Trong tiêu chuẩn EN206 [62], hệ số k được

lấy mặc định bằng 0,4 cho cả hai loại xi măng là CEM I và CEM II/A. Tuy nhiên,

với loại xi măng CEM I thì tỷ lệ tro bay / CKD không vượt quá 33 % khối lượng;

còn với xi măng CEM II/A thì tỷ lệ này không vượt quá 25 % khối lượng.

Tương tự như phương pháp Bolomay – Skramtaep hoặc tiêu chuẩn ACI

211.4R [36], việc tính thành phần vật liệu của hỗn hợp bê tông theo EN206 [62] dựa

trên nguyên lý thể tích đặc tuyệt đối. Trong đó tỷ lệ nước / xi măng được lấy theo

cường độ nén yêu cầu của bê tông và loại xi măng sử dụng. Tuy nhiên tiêu chuẩn

EN206 [62] chủ yếu đưa ra các khuyến nghị về việc lựa chọn áp dụng các loại vật

liệu thành phần cho phù hợp. Trong đó đã đưa ra 18 loại thành phần hỗn hợp bê

tông khác nhau (từ X0 đến XA3) tùy theo mục đích sử dụng và điều kiện môi

trường, đồng thời cũng đưa ra các quy định về giới hạn tỷ lệ nước / xi măng lớn

nhất hay loại xi măng và hàm lượng xi măng tối thiểu sử dụng.

1.5.3.5. Nhận xét

Các công thức cường độ bê tông của De Larrard [59], ACI 211.4R [36] và

TCVN 10306:2014 [22] đã nêu ở trên xem tro bay như một loại chất kết dính được

sử dụng để thay thế một phần xi măng một cách thuần túy về mặt khối lượng mà

chưa xét đến hiệu quả tro bay trong bê tông bởi tro bay và xi măng có những ảnh

hưởng khác nhau đến sự phát triển cường độ và các tính năng cơ học khác.

Trong của tiêu chuẩn EN206 [62] đã đề cập đến hệ số hiệu quả tro bay trong

bê tông, tuy nhiên việc lựa chọn thành phần vật liệu bê tông dựa trên kinh nghiệm

gồm 18 loại hỗn hợp có sẵn theo các điều kiện sử dụng và môi trường, điều này đã

làm hạn chế việc áp dụng cho các khu vực khác trên thế giới và ở nước ta.

Trên cơ sở phân tích nêu trên, cần phải thiết lập phương pháp thiết kế thành

phần vật liệu BTXM tro bay trên cơ sở vận dụng nội dung tiêu chuẩn ACI 211.4R

[36] và có xét đến ảnh hưởng của tro bay theo hệ số hiệu quả k.

1.6. Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay trong xây dựng đường ô tô

1.6.1. Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay trên thế giới

Trên thế giới, BTXM tro bay được sử dụng đa dạng cho nhiều loại công

trình. Trong lĩnh vực xây dựng đường ô tô, một số các kết quả nghiên cứu tiêu biểu

như sau:

(1). Theo các báo cáo tại Hội nghị tro bay thế giới năm 2015 được tổ chức

bởi Hiệp hội tro bay Mỹ (ACAA) [47], ở nhiều nước trên thế giới khối lượng tro

bay thải ra từ các nhà máy nhiệt điện là rất lớn lên tới hàng triệu tấn mỗi năm.

Trong khi đó lượng tiêu thụ tro bay trung bình ở các nước chưa tới 50 %. Theo Hiệp

hội tro bay Mỹ (ACAA) [47], năm 2014 sản lượng tro bay ở Mỹ đạt 50,4 triệu tấn

và đã tái sử dụng lại 23,2 triệu tấn chiếm 46 %. Trong đó sử dụng cho bê tông 13,1

triệu tấn chủ yếu cho xây dựng mặt đường ô tô.

(2). Theo báo cáo nghiên cứu của Cơ quan quản lí đường bộ liên bang Mỹ

(FHWA) [63], tro bay bắt đầu được sử dụng trong xây dựng trong các công trình

nền móng đường bộ và đường cao tốc từ những năm 1950. Đến năm 1974, FHWA

bắt đầu đưa ra các khuyến khích sử dụng tro bay để thay thế một phần xi măng

trong bê tông nếu có thể để làm mặt đường ô tô. Năm 1983, Cơ quan bảo vệ Môi

trường Mỹ đã đưa ra các chỉ dẫn cho BTXM tro bay nhằm khuyến khích sử dụng

tro bay với khối lượng lớn trong xây dựng đường. Theo báo cáo mới nhất của

FHWA [63], các ứng dụng của tro bay trong xây dựng đường bao gồm:

(a) Sử dụng tro bay trong bê tông mặt đường mang lại nhiều lợi ích và cải

thiện tính năng của bê tông tươi cũng như bê tông đã đóng rắn: cải thiện tính công

tác và độ bền của bê tông; giảm giá thành và giảm khối lượng xi măng. Trong hỗn

hợp thì tỷ lệ tro bay / CKD thường dùng 15 ÷ 30 %; khối lượng tro bay / khối lượng

xi măng được thay thế từ 1 ÷ 1,5 lần.

(b) Sử dụng tro bay làm nền đường. Tro bay được trộn với đất theo một tỷ lệ

nhất định và được đầm nén đến một độ chặt tốt nhất. Thường sử dụng tro bay loại

C, chứa tối thiểu 25 % CaO.

Tro bay loại C có thể sử dụng như một vật liệu độc lập. Tro bay loại F có thể sử

dụng bằng cách phối trộn với vôi, xi măng poóc lăng, hoặc bụi lò nung xi măng. Tỷ

lệ thông thường cho hỗn hợp tro bay loại F với vôi là (2 ÷ 8 %), vôi trộn với (10 ÷

15 %) tro bay loại F.

(d). Sử dụng tro bay trong bê tông đầm lăn (RCC) làm mặt đường ô tô. Năm

2001, bê tông đầm lăn đã được dùng để xây dựng mặt đường ô tô trong khu công

nghiệp sản xuất ô tô ở Alabama (Mỹ).

(3). Theo báo cáo của Chương trình hợp tác nghiên cứu đường cao tốc Mỹ

(NCHRP-749) [35] thì từ năm 1962, Hiệp hội những người làm đường và vận tải

Mỹ (AASHTO) đã đưa vào chương trình nghiên cứu ứng dụng tro bay trong xây

dựng mặt đường cao tốc và xem đây như là một loại vật liệu mới đáp ứng được các

yêu cầu kỹ thuật khắt khe của đường cao tốc và giá thành rẻ. Để việc sử dụng tro

bay trong bê tông được rộng rãi, AASHTO đã xây dựng tiêu chuẩn AASHTO M

295 [34] trong đó đặc biệt chú trọng đến việc quy định các thành phần khoáng vật

tro bay (loại C và F) và hàm lượng tổn thất khi nung (LOI), chỉ những tro bay được

lấy trực tiếp từ ống khói qua lọc tĩnh điện hoặc sau khi đã tuyển chọn lại đáp ứng

được các yêu cầu kỹ thuật thì mới được sử dụng cho bê tông.

Tro bay làm tăng tính công tác, giảm nhiệt thủy hóa, giảm giá thành và tăng

độ bền chống ăn mòn sun phát; giảm nứt gãy và tăng khả năng chống thấm. Tuy

nhiên tro bay làm giảm sự phát triển cường độ ở tuổi sớm và giảm hiệu quả của phụ

gia cuốn khí (AEA) bởi tác động hấp thụ của các bon có trong tro bay và sự suy

giảm phản ứng alkali-silica.

(4). Về các tiêu chuẩn thi công mặt đường BTXM sử dụng tro bay, một số

các tiêu chuẩn và chỉ dẫn kỹ thuật thi công mặt đường BTXM sử dụng tro bay

(FHWA-IF-03-019 của Cơ quan quản lí đường bộ liên bang Mỹ [63]; IRD:15-2011

của Cơ quan quản lí đường bộ Ấn Độ [73]; JSCE-SSCS của Hiệp hội kỹ sư xây

dựng Nhật Bản [75] đã đưa ra các hướng dẫn về chế tạo hỗn hợp và thi công mặt

đường BTXM trong đó tro bay được sử dụng như là một thành phần của hỗn hợp

chất kết dính bên cạnh xi măng poóc lăng thông thường. Quá trình chế tạo hỗn hợp

phải được thực hiện trong các nhà máy hoặc trạm trộn, tro bay phải được đựng

trong các si lô khô riêng biệt, sau đó đưa vào trộn cùng với xi măng trước khi được

trộn cùng với cốt liệu và nước. Quá trình vận chuyển, thi công và bảo dưỡng mặt

đường BTXM sử dụng tro bay được thực hiện như đối với mặt đường BTXM poóc

lăng thông thường.

Ngoài các Chương trình nghiên cứu lớn do các cơ quan, tổ chức tiến hành đã

nêu, còn có các công trình nghiên cứu độc lập rất đáng quan tâm như sau:

(5). Theo báo cáo nghiên cứu về độ bền của BTXM tro bay do V.M.

Malhotra và P.K. Mehta [81] thực hiện:

Công nghiệp sản xuất xi măng đã tạo ra những tác động to lớn ảnh hưởng

đến môi trường như thải ra không khí CO2, làm tăng nhiệt độ trái đất và gây ra hiệu

ứng nhà kính. Tro bay có thể thay thế lên tới 30 % ÷ 50 % khối lượng xi măng trong

hỗn hợp vẫn đảm bảo cường độ và tăng độ bền (Bảng 1.5).

Bảng 1.5. So sánh tính chất cơ học giữa BTXM tro bay với BTXM thông thường

TT Chỉ tiêu Đánh giá

1 Cường độ tuổi 3 ngày và 7 ngày Thấp hơn

2 Cường độ tuổi 28 ngày và 56 ngày Ngang nhau

3 Cường độ sau 1 năm Cao hơn đáng kể

Tốt hơn 4 Độ đồng nhất vi mô và sự dính bám bề mặt với cốt liệu hoặc thép

Sự biến dạng và nứt do tác dụng của co ngót và nhiệt độ Giảm đáng kể 5

Giảm rất nhiều 6 Tính dẫn điện, sự ăn mòn cốt thép

Tăng rất nhiều 7 Độ bền của bê tông

Thấp hơn 8 Chi phí cho vòng đời công trình

9 Giảm rất nhiều Tác động tới môi trường, đặc biệt là sự phát sinh khí thải CO2 ra không khí do công nghiệp chế tạo xi măng

Mehta và các cộng sự [84] đã nghiên cứu về mặt lý thuyết và thực nghiệm

hỗn hợp bê tông lên tới 50 % tro bay. Mehta đã đưa ra các thảo luận về cơ chế kết

hợp với khối lượng lớn tro bay trong bê tông để giảm lượng nước yêu cầu, cải thiện

khả năng chống co ngót do nhiệt và làm tăng độ bền. Các nghiên cứu này hiện nay

là cơ sở cho việc ứng dụng vào mục đích xây dựng mặt đường ô tô ở Ấn Độ [84].

Từ năm 2002 đến 2005 dự án đường ở Ropar, Ấn Độ được xây dựng rộng 7m dày

300 mm làm bằng bê tông với lượng tro bay là 50 % so với chất kết dính, tỷ lệ N/X

bằng 0,32; cường độ nén ở 28 ngày đạt 41,6 MPa, cường độ kéo uốn đạt 7,6 MPa.

1.6.2. Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay ở Việt Nam

Ở Việt Nam, bắt đầu từ những năm 90 của thế kỷ XX, tro bay bắt đầu được

nghiên cứu và sử dụng làm phụ gia để sản xuất xi măng. Sau đó, tro bay được sử

dụng nhiều cho bê tông khối lớn trong các đập thủy lợi, thủy điện, sản xuất vật liệu

xây dựng như vữa xây trộn sẵn và gạch không nung [7],[33]. Trong lĩnh vực công

trình giao thông, tro bay và tro xỉ đã có những ứng dụng để làm vật liệu cho móng

và mặt đường. Tiêu biểu có các nghiên cứu và công trình ứng dụng như sau:

* Năm 1991, giải pháp hữu ích “Với mục đích tiết kiệm xi măng hạ giá thành

sản phẩm trong sản xuất bê tông đã đề xuất một loại bê tông trong đó tro bay Phả

Lại đươc đưa vào thay thế một phần xi măng theo tỷ lệ 30% tro bay + 70% xi măng

so với khối lượng xi măng cần cho cấp phối BTXM thương mác tương đương” đã

được cấp Bằng giải pháp hữu ích số HI-0036 ngày 25-04-1991 [32].

* Công trình nghiên cứu của PGS. Nguyễn Quang Chiêu và GS. Nguyễn

Xuân Đào [2]: Khả năng puzơlan hóa của tro bay khi gia cố với vôi đã cho phép sử

dụng làm chất liên kết các hỗn hợp đá hoặc cát để làm các lớp móng đường. Hỗn

hợp gồm 80 % tro bay và 20 % vôi để làm chất liên kết đá và cát làm mặt đường,

sau một năm cường độ nén của vật liệu đạt được cao nhất là 23,5 MPa, cường độ

kéo uốn là 2,6 MPa. Khi dùng làm lớp móng thì hỗn hợp chất kết dính gồm 90 ÷ 95

% tro bay và 5 ÷ 10 % vôi có cường độ nén 9 MPa, cường độ kéo uốn 0,8 MPa.

* Công trình nghiên cứu của GS. Phạm Duy Hữu và các cộng sự – Trường

Đại học GTVT [9]: Trong các kết quả nghiên cứu bê tông cường độ cao cho thấy

việc tro bay được sử dụng trong sản xuất BTXM đạt tới cường độ 60 MPa và làm

giảm được lượng nước yêu cầu, giảm sự tỏa nhiệt và giảm chi phí sản xuất bê tông.

Lượng tro bay thay thế xi măng phụ thuộc vào loại tro bay sử dụng. Đối với tro bay

loại F thì từ 15 % ÷ 25 %, đối với tro bay loại C từ 20 ÷ 35 %. Đối với bê tông cần

tăng cường độ bền trong môi trường nước biển thì có thể sử dụng kết hợp 5 ÷ 7 %

muội silic với 10 ÷ 15 % tro bay trong bê tông.

* Công trình nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trong công trình giao

thông do PGS.TS. Nguyễn Thanh Sang và cộng sự thực hiện [27]: Tro bay được

ứng dụng chế tạo bê tông cát với hàm lượng lớn để làm lớp móng mặt đường ô tô

mang lại giá trị lớn về mặt kinh tế và môi trường. Tỷ lệ tro bay / CKD sử dụng lên

tới 30 ÷ 50 % đáp ứng các yêu cầu về cường độ nén, kéo và mô đun đàn hồi.

* Công trình nghiên cứu xử lý tro Cao Ngạn làm nguyên liệu sản xuất bê

tông và xi măng do TS. Lương Đức Long và cộng sự thực hiện [33]: Tro bay Cao

Ngạn sau khi xử lý có thể sử dụng làm chất phụ gia cho xi măng, bê tông, làm lớp

base, subbase, gạch block bê tông và xi măng xây trát.

* Công trình nghiên cứu và ứng dụng bê tông chất lượng cao do TS. Thái

Duy Sâm và cộng sự thực hiện tại Viện Vật liệu xây dựng [28]: Tro bay Phả Lại

được nghiên cứu sử dụng 30 % xi măng, tro bay kết hợp phụ gia siêu dẻo có thể chế

tạo bê tông chất lượng cao và cường độ cao đạt 70 MPa với các thành phần vật liệu

trong nước (Bảng 1.6). Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng cho nhiều loại công

trình xây dựng trong đó có mặt đường ô tô cấp cao.

Bảng 1.6 – Thành phần bê tông sử dụng vật liệu khoáng tro bay

Mẫu thí nghiệm TT Vật liệu và tính chất bê tông Đơn vị M6 M7 M8

1 XM PC40 Bút Sơn 520 490 462 Kg

2 Tro bay / tỷ lệ thay thế xi măng Kg 57 (11 %) 87 (18 %) 115 (25 %)

3 Phụ gia Mighty 150 10,1 10,1 10,1 Kg

4 Nước 147 144 142 Lít

1110 1110 1110 Kg

5 Cốt liệu thô (Dmax = 20 mm) 6 Cốt liệu mịn 594 594 594 Kg

7 Độ sụt 21 20 21 cm

8 Cường độ nén

+ 28 ngày 78,4 76,3 73,6 MPa

+ 56 ngày 86,8 85,3 83,3 MPa

* Công trình nghiên cứu sử dụng hợp lý tro thải của nhà máy nhiệt điện đốt

than trong xây dựng đường ô tô do NCS. Bùi Tuấn Anh thực hiện [32]. Kết quả

nghiên cứu đã xác định hàm lượng tro thải cần thiết cho gia cố vật liệu đất, đá làm

nền và móng đường: tro thải kết hợp đất gia cố 4 % xi măng ở các hàm lượng tro

thải hiệu quả từ 5 ÷ 15 % so với khối lượng đất khô có thể sử dụng làm các lớp

móng của đường cấp thấp; tro thải kết hợp cát mịn sông Hồng gia cố 3 % xi măng ở

các hàm lượng tro thải hiệu quả từ 10 ÷ 30 % so với khối lượng cát khô có thể sử

dụng làm các lớp móng của đường các cấp; tro thải kết hợp đá thải Tam Điệp, Ninh

Bình ở các hàm lượng tro thải hiệu quả từ 7 ÷ 13 % so với khối lượng đá khô có thể

sử dụng làm các lớp móng của đường cấp thấp.

* Các công trình, dự án thử nghiệm tro bay trong xây dựng đường giao thông:

- Dự án nghiên cứu thử nghiệm “Xây dựng thực nghiệm 100 m mặt đường

BTXM tro bay với tỷ lệ 70 % xi măng và 30 % tro bay tại Km24 + 400 ÷

Km24+500 đường 18A Phả Lại” năm 1991. Kết quả nghiệm thu sau thời gian khai

thác cho thấy chất lượng các tấm BTXM tro bay đảm bảo yêu cầu sử dụng [32].

- Dự án nghiên cứu thử nghiệm “Gia cố vật liệu đất tại chỗ bằng xi măng tro

bay (vật liệu xi măng tro bay của nhà máy Holcim Việt Nam là hỗn hợp giữa xi

măng Poóc lăng thông thường với tro bay) làm móng trong kết cấu áo đường tại

tỉnh Tây Ninh” năm 2005 được thực hiện bởi Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh

phối hợp với Công ty cổ phần tư vấn Xây dựng tổng hợp Tây Ninh [30]. Kết quả

cho thấy lớp đất gia cố xi măng tro bay đáp ứng được yêu cầu làm móng đường.

- Dự án nghiên cứu thử nghiệm “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ và vật liệu

mới trong xây dựng đường giao thông nông thôn” năm 2009 do Sở giao thông vận

tải Hưng Yên chủ trì [25]. Trong đó thử nghiệm gia cố đất và cát địa phương với

chất HRB làm móng đường giao thông nông thôn. HRB có thành phần chính gồm

tro bay được tuyển thẳng từ ống khói nhà máy nhiệt điện, xi măng và các chất hoạt

hoá và biến đổi puzơlan. Các lớp hỗn hợp đất và cát gia cố HRB với tỷ lệ gia cố là 9

% thì Eđh đạt từ 300 ÷ 400 MPa lớn hơn Eđh của cấp phối đá dăm và khi bão hòa

nước Eđh vẫn đạt từ 250 ÷ 300 MPa tương đương Eđh của cấp phối đá dăm.

* Nhận xét:

Các công trình nghiên cứu trong nước chủ yếu là sử dụng phương pháp thực

nghiệm để xây dựng công thức về thành phần vật liệu của BTXM tro bay; các chỉ

tiêu cơ học được nghiên cứu chủ yếu là cường độ nén, cường độ kéo uốn và mô đun

đàn hồi. Việc ứng dụng BTXM tro bay trên thực tế chủ yếu là các công trình mặt

đường cấp thấp; giao thông nông thôn hoặc làm lớp móng mặt đường cấp cao. Bên

cạnh đó các nghiên cứu trong nước chưa đề cập đến ảnh hưởng của tro bay đến

cường độ bê tông thông qua hệ số hiệu quả k, cũng như chưa đề xuất phương pháp

thiết kế thành phần vật liệu BTXM tro bay để làm cơ sở áp dụng cho việc thiết kế

và chế tạo hỗn hợp.

1.7. Kết luận chương 1 và định hướng nghiên cứu luận án

* Kết luận chương 1:

(1). Trên thế giới và ở Việt Nam xu hướng sử dụng BTXM làm mặt đường ô

tô ngày càng tăng, đặc biệt đối với các đường cấp cao và đường trục chính. Đối với

mặt đường BTXM, tính năng chính cần phải đáp ứng là cường độ kéo uốn và độ

bền nhiệt nhằm đảm bảo khả năng chịu lực và độ bền khai thác.

(2). Ở Việt Nam hiện nay, tro bay sau khi tuyển đã đáp ứng được các tiêu

chuẩn kỹ thuật (ASTM C618) và có thể sử dụng trong bê tông làm mặt đường ô tô.

Tro bay có thành phần hóa học chính gồm oxit SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO. Các

đặc điểm thành phần khoáng vật và kích cỡ hạt có ảnh hưởng lớn đến tính puzơlan

của tro bay, chi phối sự phát triển cường độ và một số tính chất của BTXM tro bay.

Cấp phối, mật độ hạt và hình dạng bề mặt tro bay có ảnh hưởng lớn đến lượng nước

yêu cầu và tính công tác của hỗn hợp BTXM tro bay. Tro bay có cỡ hạt càng nhỏ thì

tính puzơlan càng mạnh và độ linh động càng cao.

(3). Quá trình phản ứng diễn ra trong hỗn hợp BTXM tro bay là một quá

trình phức tạp gồm 2 chuỗi phản ứng: các phản ứng thuỷ hoá và các phản ứng

puzơlan. Kết quả của quá trình phản ứng puzơlan là sự chuyển hóa thành phần

Ca(OH)2 kém bền vững thành các chất CSH mới có tính bền vững giúp cho bê tông

tăng thêm cường độ, tăng khả năng chống thấm, chống ăn mòn.

Ở các tuổi khác nhau, mức độ phản ứng tro bay phụ thuộc vào hàm lượng tro

bay và tỷ lệ nước / chất kết dính của hỗn hợp; mức độ thủy hóa xi măng trong hỗn

hợp BTXM tro bay chịu ảnh hưởng của tỷ lệ nước / chất kết dính.

(4). Lựa chọn tỷ lệ tro bay / CKD hợp lý sẽ tạo ra được bê tông có cường độ

chịu lực đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật làm mặt đường ô tô. Bên cạnh đó tro

bay còn có tác dụng giảm nhiệt thủy hóa; tăng độ bền chịu nước, ion clo và giảm

lượng khí thải CO2 do quá trình sản xuất xi măng ra môi trường.

(5). Ảnh hưởng của tro bay về mặt cường độ được thể hiện bằng hệ số hiệu

quả (k). Ở tuổi thí nghiệm nhất định (28 ngày), hệ số k phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ

tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD. Ở nước ta chưa có các nghiên cứu lý thuyết và

thực nghiệm để xác định hệ số k; các nghiên cứu chủ yếu là thực nghiệm để lựa

chọn thành phần bê tông với một số loại tỷ lệ tro bay / xi măng khác nhau.

Một số phương pháp lựa chọn thành phần BTXM tro bay hiện nay xem tro

bay như một loại chất kết dính được sử dụng để thay thế một phần xi măng thuần

túy về mặt khối lượng mà chưa xét đến hiệu quả tro bay trong bê tông bởi tro bay và

xi măng có những ảnh hưởng khác nhau đến sự phát triển cường độ và các tính

năng cơ học khác.

(6). Ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Canada, Ấn độ, Hàn Quốc,... việc

nghiên cứu tro bay trong BTXM rất phát triển và đã được ứng dụng đa dạng trong

lĩnh vực xây dựng đường ô tô. Ở Việt Nam, các công trình nghiên cứu và ứng dụng

chủ yếu làm mặt đường giao thông nông thôn, mặt đường cấp thấp hoặc làm lớp

móng mặt đường.

* Định hướng nghiên cứu của luận án:

(1). Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tiến hành thí nghiệm xác định hệ số hiệu

quả tro bay (k) phù hợp với nguồn vật liệu ở nước ta, từ đó thiết lập phương pháp

thiết kế thành phần vật liệu BTXM tro bay.

(2). Tiến hành thí nghiệm một số tính năng cơ học, độ bền và tính năng công

tác của BTXM tro bay đáp ứng các yêu cầu để làm mặt đường ô tô.

(3). Tính toán thiết kế các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay để làm

mặt đường ô tô các cấp.

(4). Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến sự phát triển cường độ và ứng

suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm.

Chương 2

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HIỆU QUẢ TRO BAY VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN

BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY

Tro bay có nhiều ảnh hưởng đến tính chất và tính năng cơ học của bê tông;

trong đó ảnh hưởng về mặt cường độ được biểu hiện bằng hệ số hiệu quả (k). Hiện

nay trên thế giới, mặc dù tro bay đã được sử dụng nhiều trong các loại bê tông, tuy

nhiên việc xác định ảnh hưởng của tro bay đến các tính chất của bê tông vẫn còn là

vấn đề khá phức tạp. Nội dung chương 2 trình bày các nghiên cứu và kết quả thực

nghiệm xác định hệ số hiệu quả k theo tỷ lệ tro bay / chất kết dính và tỷ lệ nước /

chất kết dính và phương pháp thiết kế thành phần BTXM tro bay theo hệ số k.

2.1. Phương pháp xác định hệ số hiệu quả tro bay

Cường độ nén BTXM thông thường không có tro bay (bê tông PC) được xác

định theo công thức (2.1) [8],[23] và của BTXM tro bay (bê tông FC) theo công

thức (2.2) [55],[97] như sau:

[

]5,0

−

X PC N

(2.1)

[

]5,0

−

+ N

(2.2)

trong đó: Rx – cường độ nén xi măng;

RPC , RFC – tương ứng là cường độ nén bê tông PC và bê tông FC;

XFC , F – tương ứng là khối lượng xi măng và tro bay trong bê tông FC;

XPC – khối lượng xi măng trong bê tông PC;

N, A – tương ứng là khối lượng nước và hệ số chất lượng cốt liệu.

Trong bê tông PC thì chất kết dính chỉ gồm xi măng (CKD = XPC); còn trong

bê tông FC thì chất kết dính gồm xi măng và tro bay (CKD = XFC + F).

Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của tro bay đến cường độ bê tông ở tuổi nhất

định (28 ngày), cho khối lượng chất kết dính (CKD) và lượng nước (N) trong hai

công thức (2.1) và (2.2) là không đổi. Do đó CKD = XPC = XFC + F.

Gọi Rs (hệ số cường độ) là tỷ số giữa cường độ bê tông FC và cường độ bê

tông PC, được thiết lập từ công thức (2.1), (2.2) và thay XPC = XFC + F sẽ có được

[

]5,0

−

R s

R R

[

]5,0

−

+ N X PC N

−

5,0 N

biểu thức như sau:

−

+ N X PC N +

5,0 N 5,0 N

− 5,0

FC X

kF −

(2.3)

R S

− 5,0

5,0 N

FC X

kF F

N N

X ( X

kF −

+ +

5,0 − 5,0) −

(

−

+ 5,0

F −+ X

kF N

)5,0 N F −+

Thay XPC = (XFC + F) vào công thức (2.3) và biến đổi biểu thức như sau:

F 5,0

FC )1 ( k − F −+

(1 +

−

(

F F

5,0) −

(

)

F +

(1 +

−

5,01 −

(

)

F N +

(2.4)

Gọi: f là tỷ lệ tro bay / CKD; f = F / (XFC + F) và

ω là tỷ lệ nước / CKD; ω = N / (XFC + F)

(

1 +=

−

Thay f , ω vào công thức (2.4) sẽ có được công thức RS như sau:

f ω5,01

−

(2.5)

Biến đổi công thức (2.5) sẽ có được các biểu thức như sau:

(

−

R S

f 5,01 −

(

−

)5,01()1 ω −

R S

−

(2.6)

−

(

−

Khi đó hệ số hiệu quả tro bay (k) được thiết lập theo công thức như sau:

)5,01( ω f

(2.7)

trong đó: Rs – tỷ số giữa cường độ bê tông FC và bê tông PC;

k – hệ số hiệu quả tro bay;

f ; ω – tương ứng là tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD.

Từ công thức (2.7) cho thấy, hệ số k phụ thuộc vào tỷ lệ f , ω và hệ số Rs.

Khi nghiên cứu về hệ số cường độ Rs, Cho H.B và cộng sự [55],[56] nhận thấy rằng Rs chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ tro bay / CKD (f) và tỷ lệ CKD / nước (ω–1)

theo công thức hồi quy tương quan hai biến như sau:

(2.8) Rs = b0 + b1 . f + b2 . ω–1

trong đó: bo, b1, b2 – các hệ số thực nghiệm.

2.2. Thí nghiệm xác định hệ số hiệu quả tro bay

Theo Cho.HB và các cộng sự [56] thì mô hình đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ

tro bay / CKD (f) và tỷ lệ nước / CKD (ω) đến hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông

và vữa xi măng tro bay có sự tương đồng. Vì vậy có thể tiến hành thí nghiệm đối

với mẫu thử là vữa để xây dựng mô hình xác định hệ số k theo f và ω.

Hiện nay tro bay có thể được sử dụng trong bê tông từ hàm lượng thấp (< 15

%) đến rất cao (50 ÷ 70 %) và với tỷ lệ nước / CKD phổ biến từ 0,35 ÷ 0,5

[50],[55],[86]. Vì vậy cần lựa chọn 9 loại tỷ lệ tro bay / CKD (f = 0 ; 10; 15; 20; 25;

30; 40; 50 và 70 %) và 3 loại tỷ lệ nước / CKD (ω = 0,35; 0,4 và 0,5) để tiến hành

thí nghiệm.

Với BTXM tro bay, cường độ thiết kế thường được xác định ở tuổi 56 ngày.

Tuy nhiên với mặt đường ô tô do yêu cầu về thông xe nên quy định cường độ thiết

kế phải đạt được ở 28 ngày [12],[13],[63],[64]. Kế hoạch và phương pháp thí

nghiệm được trình bày trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm

Tỷ lệ nước / CKD (ω) TT Chỉ tiêu 0,35 0,4 0,5

Tiêu chuẩn thí nghiệm TCVN 3121–11:2003 [20] I Tuổi mẫu thí nghiệm (ngày) 28 28 28

II Số lượng mẫu / 1 tổ mẫu

6 6 6 1 0,00

) f (

6 6 6 2 0,10

D K C

6 6 6 3 0,15

6 6 6 4 0,20

6 6 6 5 0,25

6 6 6 6 0,30

/ y a b o r t ệ l ỷ T

6 6 6 7 0,40

6 6 6 8 0,50

6 6 6 9 0,70

Tổng cộng 162 mẫu / 27 tổ mẫu

2.2.1. Vật liệu và nội dung thí nghiệm

a) Vật liệu thí nghiệm

* Xi măng: Để đảm bảo yêu cầu về cường độ và độ ổn định, trên thế giới [64] và

Việt Nam [1],[8] đều đưa ra các khuyến nghị nên sử dụng loại xi măng poóc lăng để

chế tạo bê tông làm mặt đường ô tô. Qua tìm hiểu các loại xi măng hiện có ở nước

ta cho thấy, xi măng poóc lăng PC40 Nghi Sơn có chất lượng tốt, các thành phần

khoáng hoá đạt yêu cầu và có tính ổn định cao (SO3 <3,5 % và LOI < 6 %); các chỉ

n = 54,3 MPa.

tiêu cơ lý đã được kiểm chứng theo chứng chỉ chất lượng của nhà sản xuất cung cấp và đạt các yêu cầu kỹ thuật của TCVN 2682:2009 và có R28

Các chỉ tiêu cơ lý chi tiết của xi măng được trình bày tại Phụ lục 1.

* Tro bay: Hiện nay ở khu vực phía Bắc, tro bay thương phẩm được sản xuất chủ

yếu từ các nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Uông Bí, Ninh Bình, Cao Ngạn. Qua khảo

sát thực tế tại của nhà máy nhiệt điện Phả Lại (PHALAMI) tại địa chỉ Thị trấn Phả

Lại – Chí Linh – Hải Dương (Hình 2.1) và từ kết quả kiểm định chất lượng của

Viện Vật liệu xây dựng (Bảng 2.2) cho thấy đây là loại tro bay thương phẩm phổ

biến trên thị trường, có chất lượng tốt đáp ứng được các yêu cầu của tiêu chuẩn

ASTM C618–08. Các chỉ tiêu cơ lý của tro bay được trình bày tại Phụ lục 1.

Bảng 2.2 – Kết quả thí nghiệm các tính chất của tro bay Phả Lại

Kết Yêu cầu của Đơn Phương TT Tên chỉ tiêu quả thí ASTM C618 vị pháp thử nghiệm loại F

Chỉ số hoạt tính cường

độ, phần trăm so với

1 mẫu đối chứng

+ 7 ngày % 82,3 ASTM C311 Min 75 + 28 ngày % 84,73 ASTM C109

Lượng nước yêu cầu,

2 phần trăm so với mẫu % 96,7 Max 105 ASTM C311

đối chứng

3 Độ nở trong autoclave % 0,06 Max 0,8 ASTM C151

Máy LS Độ mịn trên sàng % 10,6 Max 34 particle size 4 45μm analyser

% 0,73 Max 6 ASTM C311 MKN (LOI) 5 % 0,10 Max 3 ASTM C311 Độ ẩm

% 65,72 SiO2 TCVN % 5,59 6 Min 70 Fe2O3 7131:2002 % 22,94 Al2O3

TCVN % 0,17 Max 5 7 SO3 6882:2001

Hình 2.1 – Khảo sát vật liệu tại nhà máy tro bay Phả Lại - PHALAMI

* Cát tiêu chuẩn: Cát tiêu chuẩn ISO dùng cho thí nghiệm được sản xuất tại Trung

tâm xi măng, Viện Vật liệu xây dựng – Bộ xây dựng.

* Nước: Nước để thí nghiệm là nước sạch dùng cho sinh hoạt.

b) Nội dung thí nghiệm

Hỗn hợp được chế tạo theo các quy định trong tiêu chuẩn TCVN 6016:1995

[20]. Quá trình thí nghiệm được tiến hành tại Trung tâm thí nghiệm đường bộ cao

tốc (LAS 72) Trường Đại học Công nghệ GTVT với các trang thiết bị đầy đủ và đã

được kiểm định (Hình 2.2). Tỷ lệ khối lượng chất kết dính / cát tiêu chuẩn là 1:3,

mỗi mẻ thử gồm 450g chất kết dính và 1350g cát tiêu chuẩn.

* Bảo dưỡng mẫu: Mẫu sau khi đúc còn trong khuôn được đặt trong tủ dưỡng hộ ở nhiệt độ 27oC, độ ẩm tương đối 95 % trong 24 giờ. Sau đó tháo khuôn, các mẫu tiếp tục được ngâm trong nước ở nhiệt độ 27oC cho đến ngày thí nghiệm.

* Sau thời gian bảo dưỡng, tiến hành thí nghiệm cường độ nén theo TCVN

3121–11:2003. Máy nén được gia tải với cấp tăng tải 2400 N/s cho đến khi mẫu bị

phá hoại. Chi tiết kết quả thí nghiệm cường độ nén được trình bày tại Phụ lục 2.

Hình 2.2 – Quá trình chế tạo và bảo dưỡng mẫu

2.2.2. Kết quả thí nghiệm

Sau khi loại bỏ các sai số thô thu được kết quả thí nghiệm cường độ nén của

từng tổ mẫu, từ đó xác định hệ số RS theo công thức (2.3) trong Bảng 2.3 như sau:

Bảng 2.3 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén

Cường độ nén (MPa) Hệ số cường độ RS

ω = 0,35 ω = 0,4 ω = 0,5 ω = 0,35 ω = 0,4 ω = 0,5 Tỷ lệ tro bay/ CKD (f)

1 0,00 41,13 38,51 35,05 1,000 1,000 1,000

2 0,10 35,12 34,73 31,56 0,854 0,902 0,900

3 0,15 37,17 36,87 34,11 0,904 0,957 0,973

4 0,20 34,46 33,98 31,39 0,838 0,882 0,895

5 0,25 32,87 31,92 30,83 0,799 0,829 0,880

6 0,30 32,27 29,77 29,54 0,785 0,773 0,843

7 0,40 31,12 26,95 22,81 0,757 0,700 0,651

8 0,50 26,86 23,06 18,73 0,653 0,599 0,534

9 0,70 11,44 9,14 6,91 0,278 0,237 0,197

Từ Bảng 2.3, vẽ biểu đồ quan hệ giữa hệ số Rs với các loại tỷ lệ tro bay /

CKD từ 10 % ÷ 70 % theo 3 loại tỷ lệ nước / CKD là 0,35; 0,4 và 0,5 như Hình 2.3.

Hình 2.3 – Quan hệ

giữa hệ số RS với tỷ lệ f

ω=0,35

ω=0,4

ω=0,5

Tỷ lệ tro bay / CKD (f)

và tỷ lệ ω

Từ biểu đồ trên cho thấy, hệ số Rs phụ thuộc vào tỷ lệ tro bay / CKD (f) ở cả 3 loại

tỷ lệ nước / CKD (ω); trong đó Rs đều đạt giá trị lớn nhất khi f = 15 %. Thậm chí ở

tỷ lệ này cường độ vữa xi măng tro bay xấp xỉ bằng cường độ vữa xi măng không

tro bay. Khi f lớn hơn 15 % thì Rs giảm và giảm nhanh khi f lớn hơn 30 %.

Tỷ lệ tro bay /CKD từ 10 ÷ 15 %, đồ thị có xu hướng đi lên. Điều này được

giải thích là do oxit Ca(OH)2 sinh ra từ phản ứng thuỷ hoá đã tham gia phản ứng

puzơlan với các thành phần oxit hoạt tính trong tro bay (SiO2, Al2O3) tạo ra khoáng

CHS mới làm tăng cường độ.

Tuy nhiên khi tỷ lệ tro bay /CKD lớn hơn 15 % và đạt đến 70 %, lượng xi

măng trong hỗn hợp giảm đi, trong khi đó một lượng lớn tro bay không tham gia

phản ứng mà chỉ đóng vai trò như là thành phần cốt liệu hỏ lấp trong các lỗ rỗng do

vậy cường độ của vữa xi măng tro bay bị giảm đi so với vữa xi măng không tro bay.

2.2.3. Thiết lập tương quan giữa hệ số cường độ với tỷ lệ tro bay / chất kết dính

và tỷ lệ nước / chất kết dính

2.2.3.1. Phương pháp phân tích hồi quy tương quan đa biến

Áp dụng công thức hồi quy (2.8) và tiến hành phân tích phương sai nhằm đánh giá ảnh hưởng của các tham số f và ω–1 tới hệ số thực nghiệm Rs. Ảnh hưởng của f và ω–1 tới Rs được xem xét với mức ý nghĩa α = 0,05 (độ tin cậy 95 %).

a. Kiểm định phương trình hồi quy: Kiểm tra sự tồn tại của hệ số tương quan R

bằng tiêu chuẩn Fisher:

+ Giả thiết H0 – Phương trình hồi quy không thích hợp;

H1 – Phương trình hồi quy thích hợp khi tồn tại bj;

+ Kiểm định Ftính < Fα;df=p&n–p–1

b. Kiểm định các hệ số bj: Kiểm tra sự tồn tại của hệ số bj bằng tiêu chuẩn tstar, các

hệ số bj tồn tại khi Pvalue < 0,05.

+ Giả thiết H0 – Các hệ số hồi quy không có ý nghĩa (bj = 0);

H1 – Có ít nhất vài hệ số hồi quy có ý nghĩa (bj ≠ 0).

+ Kiểm định t < tα,n–2.

c. Đánh giá hệ số xác định R (Coefficient of determination):

Mức độ tương quan được đánh giá là chặt khi hệ số R có giá trị lớn hơn 0,7.

Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các biến số độc lập cần sử dụng phương pháp

phân tích phương sai (ANOVA). Dựa trên kết quả xác định các hệ số hồi quy chuẩn

hoá (Standard Regression Coefficients) để đánh giá tầm quan trọng của các biến số

độc lập trong mô hình. Sử dụng phương pháp phân tích phương sai hai tham số

không lặp để đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay / CKD (f) và tỷ lệ nước / CKD (ω–1) trên các kết quả Rs thu được. Kết quả phân tích phương sai (ANOVA) bằng

ứng dụng phần mềm SPSS 16.0 của hãng IBM (Statistical Package for Social

Sciences) được trình bày dưới đây.

2.2.3.2. Thiết lập hàm số tương quan

Từ biểu đồ Hình 2.3 cho thấy, khi xem xét quan hệ giữa hệ số RS và tỷ lệ f

thì chia thành hai nhóm: Nhóm thứ nhất có tỷ lệ f = 10 ÷ 15 % và Nhóm thứ hai có

tỷ lệ f lớn hơn 15 % đến 70 %.

a) Phân tích kết quả tương quan với Nhóm thứ nhất có tỷ lệ f từ 10 ÷ 15 %

- Phương trình hồi quy hai biến thu được có dạng:

(2.9) Rs = 0,67. f – 0,063 . ω–1 + 1,018

trong đó: Rs là hệ số cường độ;

f và ω là tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD.

- Kiểm định phương trình hồi quy:

F(P) = 0,0316 < 0,05 do đó tồn tại phương trình hồi quy. Hệ số cường độ Rs

tương quan với f và / hoặc ω–1.

- Kiểm tra sự tồn tại của các hệ số bj:

+ Với biến số ω-1, Pvalue = 0,0359 < 0,05 do đó ω–1 có ảnh hưởng đến Rs.

+ Với biến số f, Pvalue = 0,0338 < 0,05 do đó f ảnh hưởng đến Rs.

- Đánh giá hệ số R:

+ R2 = 0,899 do đó mức độ tương quan rất chặt.

- Đánh giá mức độ ảnh hưởng của tỷ lệ f và ω-1 đến Rs:

+ Tỷ lệ f và ω–1 có mức độ ảnh hưởng đến hệ số Rs là tương đương nhau do

có các hệ số ảnh hưởng β tương đương nhau (0,677 và 0,662).

b) Phân tích kết quả tương quan với Nhóm thứ hai có tỷ lệ tro bay / CKD trên 15 %

* Phương trình hồi quy hai biến thu được có dạng:

(2.10) Rs = 0,071. f + 0,034 . ω–1 + 0,09

- Kiểm định phương trình hồi quy:

F(P) = 1,1E–08 << 0,05 do đó tồn tại phương trình hồi quy. Hệ số cường độ

Rs tương quan với f và / hoặc ω–1.

- Kiểm tra sự tồn tại của các hệ số bj:

+ Với biến số ω–1, Pvalue = 0,246 > 0,05 điều đó có nghĩa là tỷ lệ ω–1 không

có nhiều ảnh hưởng đến hệ số Rs.

+ Với biến số f, Pvalue = 2,5E–09 < 0,05 điều đó có nghĩa là tỷ lệ f ảnh hưởng

đến Rs.

- Đánh giá mức độ ảnh hưởng của tỷ lệ f và ω–1 đến Rs:

+ Tỷ lệ f có mức độ ảnh hưởng đến Rs nhiều hơn so với tỷ lệ ω–1 do có hệ số

ảnh hưởng là | β(f) | = 0,071 lớn hơn nhiều so với hệ số | β(ω) | = 0,034.

Như vậy, khi vữa xi măng tro bay có tỷ lệ f lớn hơn 15 % thì biến số ω–1 có

ảnh hưởng không đáng kể đến hệ số cường độ Rs. Do đó cần loại bỏ biến số này và

tiến hành phân tích hồi quy lại như sau:

* Phương trình hồi quy một biến (sau khi loại bỏ biến số ω–1) có dạng:

(2.11) Rs = –1,093. f + 1,149

- Kiểm định phương trình hồi quy: F(P) = 1,4E–09 < 0,05 do đó tồn tại phương

trình hồi quy. Hệ số cường độ Rs tương quan với tỷ lệ f.

- Kiểm tra sự tồn tại của các tham số bj: Với biến số f, Pvalue = 5,84E–17 < 0,05 điều

đó có nghĩa là tỷ lệ f có ảnh hưởng đến Rs.

- Đánh giá hệ số: R2 = 0,884 do đó mức độ tương quan rất chặt.

* Tổng hợp kết quả phân tích tương quan của hai nhóm như Bảng 2.4:

Bảng 2.4 – Kết quả phân tích tương quan giữa hệ số cường độ với tỷ lệ tro bay /

CKD và tỷ lệ nước / CKD

Tỷ lệ (f) Phương trình hồi quy Hệ số R2

0,899 (2.12) 10 ÷ 15 % Rs = 0,67. f – 0,063. ω–1 + 1,018

15 ÷ 70 % 0,884 (2.13) Rs = – 1,093. f + 1,149

trong đó: Rs là hệ số cường độ; f là tỷ lệ tro bay / CKD và ω là tỷ lệ nước / CKD

2.2.4. Xác định hệ số k theo tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD

Từ các phương trình hồi quy Rs ở Bảng 2.4 thay vào công thức (2.7) để thiết

lập phương trình thực nghiệm xác định hiệu quả tro bay (k) như sau:

Bảng 2.5 – Phương trình thực nghiệm xác định hệ số hiệu quả tro bay

063,0

335,0

05,0

009,0

67,1

−=

−

ω +

−

Tỷ lệ (f) Hệ số hiệu quả tro bay (k)

1 f

ω f

1 f ω

546,0

149,0

0074

093

−

10 ÷ 15 % (2.14)

1 f

ω f

(2.15) 15 ÷ 70 %

trong đó: Rs là hệ số cường độ; f là tỷ lệ tro bay / CKD và ω là tỷ lệ nước / CKD

Từ các công thức (2.14) và (2.15) cho thấy, hệ số k có dạng hàm số gồm hai

biến số là f và ω. Thay các biến số f và ω có giá trị từ 0,1 ÷ 0,7 và từ 0,35 ÷ 0,5 thu

được các giá trị hệ số k theo Bảng 2.6 như sau:

Bảng 2.6 – Bảng giá trị hệ số hiệu quả k trong vữa xi măng tro bay

Tỷ lệ nước / CKD (ω ) TT Tỷ lệ tro bay / CKD (f) ω = 0,35 ω = 0,4 ω = 0,5

1 0,10 0,220 0,423 0,695

2 0,15 0,664 0,794 0,965

3 0,20 0,713 0,721 0,739

4 0,25 0,590 0,602 0,627

5 0,30 0,508 0,523 0,553

6 0,40 0,406 0,424 0,460

7 0,50 0,344 0,364 0,404

8 0,70 0,274 0,296 0,340

2.2.5. Xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông

Giá trị hệ số hiệu quả tro bay trong Bảng 2.6 được thực hiện với vữa xi măng

tro bay. Theo kết quả nghiên cứu của Cho.HB và các cộng sự [55],[56] thì ảnh

hưởng của tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD đến hệ số hiệu quả tro bay trong

vữa và trong bê tông có sự tương đồng. Tuy nhiên bê tông có nhiều thành phần vật

liệu hơn so với vữa nên đã có ảnh hưởng nhất định đến giá trị hệ số k. Vì vậy, hệ số

k của bê tông chỉ nên lấy bằng 0,9 ÷ 1,0 lần so với thí nghiệm vữa. Để đảm bảo mức

độ tin cậy cao, lấy hệ số k của bê tông bằng 0,9 lần của vữa từ đó thiết lập biểu đồ

quan hệ giữa hệ số hiệu quả k với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD của bê

Tỷ lệ tro bay / CKD (f)

tông như Hình 2.4.

Hình 2.4 – Quan hệ giữa hệ số hiệu quả tro bay với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ

nước / CKD trong bê tông

Trên biểu đồ Hình 2.4 cho thấy, đường cong hệ số k có dạng tương đồng ở cả

3 loại tỷ lệ nước / CKD. Khi tỷ lệ tro bay / CKD từ 10 ÷ 15 % đồ thị có xu hướng đi

lên (k tăng), phản ứng puzơlan đã tạo ra khoáng CHS mới bền vững hơn nhờ đó làm

tăng dần cường độ. Hệ số k có giá trị cực đại khi tỷ lệ tro bay / CKD là 15 %.

Khi tỷ lệ tro bay / CKD lớn hơn 15 % và đạt đến 70 %, lượng xi măng trong

hỗn hợp giảm đi đáng kể, đồng thời lượng tro bay tăng lên nhiều hơn nhưng chỉ một

phần tham gia phản ứng puzơlan và cũng không đủ bù đắp sự thiếu hụt cường độ

của lượng xi măng giảm đi. Trong khi đó một lượng lớn tro bay chỉ đóng vai trò

như là thành phần hạt nhỏ lấp đầy các lỗ rỗng. Kết quả này cũng phù hợp với các

phân tích về mức độ phản ứng hóa học của tro bay trong bê tông đã trình bày ở trên.

Khi sử dụng tỷ lệ tro bay / CKD thấp (< 15 %) khối lượng tro bay thay thế xi

măng là không đáng kể, bên cạnh đó hệ số k có giá trị không lớn nên theo khuyến

nghị trong các tài liệu [36],[54],[62] tỷ lệ tro bay nên sử dụng trong bê tông từ 15 %

trở lên. Vì vậy ở nước ta cũng nên sử dụng tro bay từ 15 % trở lên.

Khi tỷ lệ tro bay / CKD lớn hơn 15 % và đạt đến 70 %, trên biểu đồ Hình 2.4

cho thấy hệ số k ứng với các loại tỷ lệ nước / CKD chênh lệch không đáng kể, thậm

chí có đoạn xấp xỉ nhau. Điều này chứng tỏ khi sử dụng tỷ lệ tro bay / CKD lớn hơn

15 % thì ảnh hưởng của tỷ lệ nước / chất kết dính đến hệ số hiệu quả tro bay không

thể hiện rõ rệt. Khi đó có thể xem hệ số hiệu quả tro bay phụ thuộc chủ yếu vào tỷ

lệ f. Từ đồ thị Hình 2.4 có thể chia đồ thị thành 2 đoạn: đoạn 1 với tỷ lệ f = 15 ÷ 35

% tương ứng với hệ số hiệu quả trung bình k = 0,7 ÷ 0,4 và đoạn 2 với tỷ lệ f = 35

÷ 70 % tương ứng với giá trị trung bình k = 0,4 ÷ 0,27 (Bảng 2.7).

Bảng 2.7 – Giá trị hệ số hiệu quả tro bay trong BTXM tro bay

TT Tỷ lệ tro bay / CKD (f) Hệ số hiệu quả tro bay (k)

1 15 ÷ 35 % 0,70 ÷ 0,40

2 35 ÷ 70 % 0,40 ÷ 0,27

So sánh với một số kết quả nghiên cứu về hệ số k trên thế giới như Babu [50]

kiến nghị với f = 15 ÷ 75 % thì k = 1,15 ÷ 0,33; Cho HB [56] kiến nghị với f = 15 ÷

70 % thì k = 1,24 ÷ 0,2. Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 206:2013 [62], khuyến cáo

khi không có các thí nghiệm để xác định thì hệ số k được lấy bằng giá trị tối thiểu là

0,4 tương ứng với tỷ lệ f ≤ 33 %. Tuy nhiên có một số quốc gia đưa ra các quy định

riêng, Ailen (k = 0,2 ÷ 0,8 với f ≤ 25 %); Đan Mạch (k = 0,5 với f ≤ 33 %); Pháp

(0,4; 0,5 và thường là 0,6 với f ≤ 35 %); Đức (0,4 và 0,7 với f ≤ 33 %) [54]. So sánh

với các giá trị tham khảo nêu trên thì kết quả thí nghiệm hệ số k với các thông số vật

liệu ở nước ta thu được là có độ tin cậy.

2.3. Trình tự thiết kế thành phần bê tông theo hệ số hiệu quả tro bay

Phương pháp thiết kế thành phần vật liệu bê tông sử dụng tro bay được xây

dựng trên cơ sở vận dụng nội dung tiêu chuẩn ACI 211.4R [36] và có xét đến ảnh

hưởng của hệ số hiệu quả (k). Bao gồm 8 bước như sau:

2.3.1. Xác định cường độ yêu cầu và độ sụt (Bước 1)

a. Xác định cường độ yêu cầu (Ryc)

Cường độ nén trung bình yêu cầu Ryc (gọi tắt cường độ yêu cầu) được dùng

tính toán thành phần bê tông và được lấy giá trị lớn hơn trong công thức:

hoặc (MPa) (2.16) Ryc = f’c + 1,34s Ryc = 0,9f’c + 2,33s

và theo ACI 318 [38], TCVN 10306:2014 [22] khi không có số liệu thí nghiệm về

1,1

8,4

độ lệch chuẩn thì Ryc được xác định như sau:

' + c

(MPa) (2.17)

trong đó: Ryc, s – là cường độ yêu cầu và độ lệch chuẩn (MPa);

nR theo

f’c – là cường độ nén đặc trưng, lấy bằng cường độ nén thiết kế (

Bảng 1.1). Khi đó Ryc tính toán được có giá trị như trong Bảng 2.8.

Bảng 2.8 – Cường độ yêu cầu của BTXM làm mặt đường ô tô

nR (MPa)

Cường độ thiết TT Loại mặt đường kế, Cường độ yêu cầu, Ryc (MPa) Tỷ số Ryc / Rtk n

1 51,0 60,9 1,2

Mặt đường cao tốc, cấp I, cấp II, đường có quy mô giao thông nặng, rất nặng, cực nặng

2 41,3 50,2 1,2

Mặt đường cấp III trở xuống, đường có quy mô giao thông cấp trung bình

Kết quả tính trong Bảng 2.8 thỏa mãn theo quy định tại QĐ3230 [12] và

QĐ1951 [13] về cường độ trung bình yêu cầu của bê tông chế thử trong phòng thí

nghiệm cần lớn hơn cường độ thiết kế tối thiểu từ 1,15 ÷ 1,2 lần. Như vậy với

cường độ yêu cầu tối thiểu bằng 50,2 MPa có thể sử dụng tiêu chuẩn ACI 211.4R

[36] để thiết kế thành phần hỗn hợp BTXM.

b. Độ sụt (SN)

Theo Tiêu chuẩn ACI 211.4R [36] và TCVN 10306:2014 [22], độ sụt của bê

tông trước khi cho phụ gia giảm nước từ 2,54 ÷ 5,08 cm (1 ÷ 2 inch) và bê tông

không sử dụng phụ gia giảm nước từ 5,08 ÷ 10,16 cm (2 ÷ 4 inch). Với bê tông mặt

đường ô tô theo quy định QĐ1951 [13], độ sụt được chọn theo công nghệ thi công

mặt đường như trong Bảng 2.9.

Bảng 2.9 – Yêu cầu độ sụt hỗn hợp bê tông làm mặt đường ô tô

TT Công nghệ thi công Độ sụt yêu cầu, cm

1 Công nghệ ván khuôn trượt 1 ÷ 2

2 Công nghệ ván khuôn ray và thi công liên hợp khác 2 ÷ 3

3 Công nghệ thi công đơn giản 2 ÷ 4

2.3.2. Lựa chọn cỡ hạt lớn nhất danh định của cốt liệu (Bước 2)

Cỡ hạt lớn nhất danh định của cốt liệu (Dmax) có ảnh hưởng rất đáng kể đến

cường độ đạt được của bê tông và ảnh hưởng tới lượng xi măng (X) và nước (N) sử

dụng. Nếu chọn Dmax lớn thì X và N giảm đi nhưng cường độ đạt thấp hơn so với

Dmax nhỏ, đặc biệt là về cường độ chịu kéo uốn. Với bê tông mặt đường ô tô, theo

khuyến nghị của GS. Trần Đình Bửu và GS. Dương Học Hải [1] thì cường độ chịu

nén giới hạn từ 42 MPa trở lên thì tốt nhất nên dùng Dmax từ 9,5 đến 12,5 mm.

2.3.3. Lựa chọn thành phần cốt liệu thô tối ưu (Bước 3)

Thành phần cốt liệu thô tối ưu được xác định dựa trên đặc tính cường độ và

cỡ hạt lớn nhất danh định của cốt liệu thô (Dmax). Sự tối ưu của thành phần cốt liệu thô được xác định bằng thể tích cốt liệu thô (khô) cho 1m3 bê tông ứng với các mô

đun hạt cát từ 2,5 ÷ 3,2 và được lấy theo ACI 211.4R [36] như trong Bảng 2.10.

Bảng 2.10 – Bảng tra thể tích cốt liệu thô

Thể tích cốt liệu thô (khô) cho 1m3 bê tông ứng với các mô đun hạt cát từ 2,5 ÷ 3,2 Cỡ hạt lớn nhất danh định, Dmax, mm 9,5 12,5 19 25

0,65 0,67 0,72 0,75 Thể tích cốt liệu thô ở trạng thái lèn chặt (Vod), m3

- Khối lượng cốt liệu thô (khô) cho 1 m3 hỗn hợp bê tông được tính như sau:

(kg) (2.18) Đ = Vod × ρod

trong đó: Đ – khối lượng cốt liệu thô (kg / m3);

ρod – khối lượng đơn vị lèn chặt cốt liệu thô từ 1,60 ÷ 1,65 (g/cm3) và

Vod – thể tích cốt liệu thô ở trạng thái lèn chặt (m3).

2.3.4. Xác định lượng nước và hàm lượng khí (Bước 4)

Bảng 2.11 – Bảng tra lượng nước

Độ sụt (cm) TT Lượng nước (kg / m3) theo Dmax (mm) 25 12,5 9,5 19

2,5 ÷ 5,0 184 175 169 166 1

5,0 ÷ 7,5 190 184 175 172 2

7,5 ÷ 10,0 196 190 181 178 3

4 Lượng khí (không phụ gia), % 3,0 2,5 2,0 1,5

5 Lượng khí (có phụ gia), % 2,5 2,0 1,5 1,0

Lượng nước nhào trộn phụ thuộc vào yêu cầu về độ sụt, đặc tính vật liệu tự

nhiên hoặc nghiền, kích thước danh nghĩa lớn nhất cốt liệu. Lượng nước ban đầu

(Nbđ) được lấy theo tiêu chuẩn ACI 211.4R [36] như Bảng 2.11. Với cát có độ rỗng

khác 35 % thì phải điều chỉnh lượng nước (N) theo công thức sau đây:

(kg / m3) (2.19) N = Nbđ + (Vr – 35) × 4,72

trong đó: Nbđ ; N – khối lượng nước ban đầu và sau khi điều chỉnh (kg / m3);

Vr – độ rỗng của cát ( %).

2.3.5. Xác định tỷ lệ nước / xi măng (Bước 5)

Tỷ lệ nước / xi măng theo ACI 211.4R [36] phụ thuộc vào cường độ yêu cầu,

Dmax và loại bê tông sử dụng phụ gia giảm nước hay không (Bảng 2.12).

Bảng 2.12 – Bảng tra tỷ lệ nước / xi măng

Cỡ hạt danh định lớn nhất, Dmax

TT 9,5 12,5 19 25

(1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2) Cường độ yêu cầu, Rtt yc, MPa

1 48 28 ngày 56 ngày 0,50 0,55 0,42 0,46 0,48 0,52 0,41 0,45 0,45 0,48 0,40 0,44 0,43 0,46 0,39 0,43

Bảng 2.12 – Bảng tra tỷ lệ nước / xi măng (tiếp theo)

Cỡ hạt danh định lớn nhất, Dmax

TT 9,5 12,5 19 25

(1) (2) (1) (2) (1) (2) (1) (2) Cường độ yêu cầu, Rtt yc, MPa

2 55 28 ngày 56 ngày 0,44 0,48 0,35 0,38 0,42 0,45 0,34 0,37 0,40 0,42 0,33 0,36 0,38 0,40 0,33 0,35

3 62 28 ngày 56 ngày 0,38 0,42 0,30 0,33 0,36 0,39 0,29 0,32 0,35 0,37 0,29 0,31 0,34 0,36 0,28 0,30

4 69 28 ngày 56 ngày 0,33 0,37 0,26 0,29 0,32 0,35 0,26 0,28 0,31 0,33 0,25 0,27 0,30 0,32 0,25 0,26

5 76 28 ngày 56 ngày 0,30 0,33 - - 0,29 0,31 - - 0,27 0,29 - - 0,27 0,29 - -

Ghi chú: (1) - Có sử dụng phụ gia giảm nước; (2) - Không sử dụng phụ gia giảm nước

6 83 28 ngày 56 ngày 0,27 0,30 - - 0,26 0,28 - - 0,25 0,27 - - 0,25 0,26 - -

2.3.6. Xác định khối lượng xi măng ban đầu trong BTXM không tro bay (Bước 6)

Khối lượng xi măng ban đầu (X0) cho 1 m3 bê tông được tính dựa trên lượng

nước (Bước 4) và tỷ lệ nước / xi măng (Bước 5) như sau:

X = 0

N / XN

(kg) (2.20)

trong đó: X0 và N là khối lượng xi măng ban đầu và nước trong bê tông (kg / m3).

Trong hỗn hợp BTXM không có tro bay, chất kết dính chỉ có xi măng (X0).

Hàm lượng cát được tính theo phương pháp thể tích tuyệt đối từ các thành phần cốt

1000

(C =

−

liệu thô, xi măng, nước và hàm lượng khí theo công thức như sau:

ρ)V C

X ρ

Đ ρ Đ

(kg) (2.21)

trong đó: C, X0, N, Đ – khối lượng cát, xi măng, nước và đá dăm (kg / m3); ρX, ρC, ρD – khối lượng riêng của xi măng, cát và đá dăm (kg / m3);

Vkk – thể tích không khí trong bê tông (%).

2.3.7. Xác định khối lượng xi măng và tro bay trong BTXM tro bay (Bước 7)

a) Lựa chọn loại tro bay và tỷ lệ tro bay / CKD

Tỷ lệ tro bay / CKD có ảnh hưởng lớn đến cường độ bê tông, tùy theo mục

đích cường độ cần đạt được để chọn tỷ lệ cho phù hợp. Theo khuyến nghị của

TCVN 10306:2014 [22] và ACI 211.4R [36] với bê tông có cường độ lớn hơn 35

MPa thì nên dùng tỷ lệ từ 15 ÷ 25 % (loại F) và 20 ÷ 35 % (loại C). Còn theo

khuyến nghị của tiêu chuẩn EN206 [54] thì dùng tỷ lệ từ 15 ÷ 33 % (loại F) và 15 ÷

35 % (loại C).

b) Xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông

Theo khuyến nghị trong tiêu chuẩn EN206 [54], khi không có các số liệu thí

nghiệm trước thì hệ số hiệu quả tro bay được lấy an toàn kEN = 0,4 (f ≤ 33 %). Theo

kết quả nghiên cứu thí nghiệm trong phòng, giá trị hệ số kNC được xác định theo tỷ

lệ tro bay / CKD như trong (Bảng 2.7) và được tổng hợp lại như sau:

Bảng 2.13 – Bảng giá trị hệ số hiệu quả tro bay

TT Tỷ lệ tro bay / CKD (f) Hệ số hiệu kNC theo kết quả thí nghiệm Hệ số kEN theo EN206 [54]

1 15 ÷ 35 % 0,70 ÷ 0,40 0,4

2 35 ÷ 70 % 0,40 ÷ 0,27 0,4

c) Xác định khối lượng xi măng và tro bay trong hỗn hợp chất kết dính

Trong BTXM tro bay, hỗn hợp chất kết dính gồm xi măng (XFC) và tro bay

(F). Khi xét đến hiệu quả tro bay thì khối lượng tro bay (F) được chuyển thành khối

lượng xi măng quy đổi là Xqđ = k.F, do đó để BTXM tro bay đạt được cường độ như

BTXM (không tro bay) thì tổng khối lượng xi măng quy đổi (Σ Xqđ = XFC + k.F)

k.F

phải bằng khối lượng xi măng (X0) trong hỗn hợp BTXM (không tro bay).

qđ

= ∑0

(kg) (2.22)

Với mỗi loại bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD nhất định thì khối lượng xi măng

k.F

(XFC) và khối lượng tro bay (F) được xác định từ hệ phương trình như sau:

FC F +

⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩

(2.23)

Giải hệ phương trình trên được khối lượng xi măng và tro bay:

X FC

1 − (1 k +

f )1 −

f −

(1 +

và (kg) (2.24)

trong đó: X0 , XFC – khối lượng xi măng trong hỗn hợp BTXM không tro bay (PC) và khối lượng xi măng trong hỗn hợp BTXM tro bay (FC) (kg / m3);

Xqđ – khối lượng xi măng được quy đổi từ khối lượng tro bay (kg / m3);

Σ Xqđ – tổng khối lượng xi măng sau quy đổi (kg / m3);

k , f – hệ số hiệu quả tro bay và tỷ lệ tro bay / CKD.

2.3.8. Thành phần hỗn hợp bê tông xi măng tro bay theo hệ số k (Bước 8)

Trong hỗn hợp BTXM khi có thêm thành phần tro bay trong khi thể tích đặc

(

= 1000

−

tuyệt đối hỗn hợp không đổi, vì vậy cần phải điều chỉnh lại khối lượng cát như sau:

ρ)V C

X FC ρ

F ρ

Đ ρ Đ

(kg) (2.25)

trong đó: CFC , XFC , F , N , Đ – khối lượng cát, xi măng, tro bay, nước, đá (kg / m3);

ρX , ρF , ρC , ρĐ – khối lượng riêng của xi măng, tro bay, cát và đá (kg / m3).

* Điều chỉnh thành phần hỗn hợp của các mẻ trộn thử: Có thể phải điều chỉnh thành

phần hỗn hợp để đạt được các tính chất mong muốn của bê tông (tính công tác,

cường độ) bằng cách điều chỉnh các thành phần như lượng nước, tỷ lệ N/CKD, cốt

liệu, hàm lượng khí hoặc dùng phụ gia giảm nước.

2.4. Thí nghiệm và thiết lập công thức thành phần vật liệu bê tông xi măng tro

bay làm mặt đường ô tô

Để thiết lập công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô

tô có độ tin cậy cao, cần đánh giá hệ số k đã thí nghiệm (kNC) với nguồn vật liệu

nước ta (Mục 2.2) và so sánh với giá trị theo khuyến nghị của EN206 (kEN = 0,4).

Sau đó tiến hành thí nghiệm cường độ nén để kiểm tra và điều chỉnh lại thành phần

hỗn hợp vật liệu và hệ số k cho thích hợp.

2.4.1. Kết quả thí nghiệm vật liệu

* Xi măng và tro bay: Nội dung tiến hành và kết quả thí nghiệm theo Mục 2.2.

* Cốt liệu nhỏ (cát): Cát dùng cho BTXM phải có hình dạng hạt tròn, bề mặt trơn

đều để đảm bảo tính công tác. Các nghiên cứu cho thấy khi cát có mô đun độ lớn

trong khoảng 2,2 ÷ 3,5 sẽ có tính công tác tốt và cường độ cao.

Lựa chọn sử dụng cát sông Lô – Phú Thọ với kết quả thí nghiệm được cho

thấy đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật (Bảng 2.14, Bảng 2.15 và Hình 2.5). Cát có sự

ổn định về tính chất lý hóa và thành phần hạt, bề mặt hạt tròn trơn, có mô đun độ

lớn cao đồng thời hàm lượng các tạp chất ở dưới mức cho phép và độ rỗng đạt yêu

cầu kỹ thuật để làm mặt đường BTXM theo quy định của QĐ1951 [13].

Bảng 2.14 – Bảng kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của cát

Yêu cầu TT Chỉ tiêu thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm 2,654 Phương pháp thí nghiệm TCVN7572-4:06 1,350

1,618 TCVN7572-6:06 2,500

Đơn vị g/cm3 1 Khối lượng riêng 2 Khối lượng thể tích xốp g/cm3 % 3 Độ rỗng 39,0 TCVN7572-6:06 47,0

4 Hàm lượng bụi, bùn, sét % 1,12 TCVN7572-8:06 2,0

- Đạt 5 Hàm lượng hữu cơ Sáng hơn TCVN7572-9:06

6 Mô đun độ lớn - 2,9 TCVN7572-2:06 2,2÷3,5

7 Độ hút nước % 0,68 TCVN7572-4:06 -

Hình 2.5. Biểu đồ thành phần hạt của cát

Bảng 2.15 – Bảng kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối của cát

Cỡ sàng (mm) TT Lượng sót tích lũy / lọt qua sàng 0,15 0,30 0,60 1,18 2,36 4,75

1 Lượng sót tích lũy trên sàng, % 95,7 82,4 63,3 36,4 13,5 0

Lượng lọt qua sàng, % 4,3 17,6 36,7 63,6 86,6 100 2

Yêu cầu theo QĐ 1951 0÷10 5÷20 15÷29 35÷65 65÷95 90÷100 3

Yêu cầu theo ASTM C33 0÷10 5÷30 25÷60 50÷85 80÷100 95÷100 4

* Cốt liệu lớn (đá dăm)

Cốt liệu lớn có ảnh hưởng lớn đến cường độ của BTXM. Căn cứ vào yêu cầu

kỹ thuật của bê tông mặt đường theo QĐ1951 [13] và các khuyến nghị [1],[8], lựa

chọn cốt liệu thô có cỡ hạt lớn nhất danh định Dmax = 12,5 mm và sử dụng loại đá

Phủ Lý có chất lượng tốt. Sau khi được sản xuất tại mỏ đá của Công ty Transmeco,

lấy về rửa sạch để loại bỏ tạp chất, phơi khô đóng bao để làm thí nghiệm. Kết quả

thí nghiệm cho thấy sau khi hiệu chỉnh để trộn, thành phần hạt của đá dăm đã đáp

ứng theo yêu cầu của quy định QĐ1951 [13] (Bảng 2.16 và Hình 2.6).

Bảng 2.16 – Bảng kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu thô

TT Chỉ tiêu thí nghiệm Phương pháp thử Yêu cầu

1 Khối lượng riêng Đơn vị Kết quả g/cm3 2,717 TCVN7572-4:06 ≥ 2,500

2 g/cm3 1,650 ASTM C29 - Khối lượng đơn vị lèn chặt

3 Độ hút nước 0,76 TCVN 7572-4:06 ≤ 2,5 %

4 Hàm lượng bụi, bùn, sét 0,24 TCVN7572-8:06 ≤ 0,3 %

5 0,93 TCVN7572-17:06 ≤ 1,0 % Hàm lượng các hạt mềm yếu, phong hóa

6 Hàm lượng hạt thoi dẹt 6,20 TCVN7572-13:06 ≤ 15 (20) %

7 Độ mài mòn Losangeles 22,36 ≤ 30 (35) % TCVN 7572-12:06 AASHTO-T96

8 MPa 140 TCVN 7572-10:06 ≥ 80 Cường độ chịu nén đá gốc

Bảng 2.17 – Bảng kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối của cốt liệu thô

Chỉ tiêu thí nghiệm

Cỡ sàng

2,36 4,75 9,50 12,5 19,0

1 Lượng sót tích lũy trên sàng, % 96,6 88,5 52,3 5,6 0

2 Lượng lọt qua sàng, % 3,4 11,5 47,7 94,4 100

3 Yêu cầu theo QĐ 1951 0÷5 0÷15 40÷60 90÷100 100÷100

4 Yêu cầu theo ASTM C33 0÷5 0÷15 40÷70 90÷100 100÷100

Hình 2.6. Biểu đồ thành phần hạt của cốt liệu thô

* Phụ gia hóa dẻo Sikament R4, giảm nước từ 10 ÷ 20 %, duy trì độ sụt, giảm co

mềm và từ biến, thích hợp với bê tông cường độ nén từ 40 ÷ 50 MPa.

Số liệu chi tiết về các kết quả thí nghiệm vật liệu được trình bày tại Phụ lục 1.

2.4.2. Tính thành phần vật liệu bê tông xi măng tro bay

2.4.2.1. Yêu cầu thiết kế

Với các loại mặt đường cấp cao (cấp II trở lên) và đường cao tốc không nên

sử dụng mặt đường BTXM thông thường có khe nối mà nên sử dụng các loại mặt

đường BTXM cốt thép hoặc lưới thép do các yêu cầu về khả năng chịu lực cao

(cường độ kéo uốn ≥ 5 MPa và các yêu cầu về độ bền cao) [1],[11],[64].

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, lựa chọn tính toán thiết kế cho các loại

mặt đường BTXM thông thường có khe nối được sử dụng cho các cấp đường ô tô từ

cấp III, IV trở xuống bởi vì đây là các loại mặt đường phổ biến và đã được thi công

ku) là 4,5 MPa, tương ứng với cường độ nén thiết kế

bằng vật liệu BTXM ở Việt Nam. Theo yêu cầu kỹ thuật thì bê tông phải có cường độ kéo uốn thiết kế tối thiểu (Rtk

n) bằng 41,3 MPa.

tối thiểu (Rtk

2.4.2.2. Tính thành phần vật liệu (cho 1 m3 bê tông)

Bước 1. Xác định cường độ yêu cầu (Ryc) và độ sụt (SN)

1,1

8,4

a. Xác định cường độ yêu cầu (mẫu hình trụ)

tk R n

= 1,1× 41,3 + 4,8 = 50,2 (MPa).

b. Xác định độ sụt. Với bê tông làm mặt đường ô tô, lựa chọn độ sụt SN = 2,5 cm có

kết hợp với sử dụng phụ gia giảm nước.

Bước 2. Lựa chọn cỡ hạt lớn nhất danh định của cốt liệu (Dmax)

Ngoài việc đảm bảo cường độ bê tông mặt đường còn phải đảm bảo độ bằng

phẳng để xe chạy êm thuận vì vậy chọn cốt liệu có Dmax = 12,5 mm.

Bước 3. Lựa chọn thành phần cốt liệu thô tối ưu (Vod và Đ)

Căn cứ mô đun hạt cát và cỡ hạt Dmax cốt liệu thô, chọn Vod = 0,67 khi đó

khối lượng cốt liệu thô (khô) đã lèn chặt: Đ = Vod × ρod = 0,67 × 1650 = 1106 (kg).

Bước 4. Xác định lượng nước và hàm lượng khí

Căn cứ Dmax và độ sụt, tra bảng lượng nước ban đầu Nbđ = 175 lít và hàm

lượng khí Vkk = 2 %. Lượng nước cần phải được điều chỉnh lại theo độ rỗng của cát

Vr như sau: N = Nbđ + (Vr – 35) × 4,72 = 175 + (39,0 – 35) × 4,72 = 194 lít.

Bước 5. Xác định tỷ lệ nước / xi măng (N / X0)

Ứng với Dmax = 12,5 mm và Ryc= 50,2 MPa chọn N / X0 = 0,44.

Bước 6. Xác định khối lượng xi măng ban đầu trong BTXM không tro bay (X0):

X = 0

N / XN

194 44,0

441 (kg).

Khối lượng xi măng lớn hơn quy định tối đa là 400 kg [13] do đó cần phải sử

dụng tro bay để giảm xi măng mà vẫn đảm bảo đạt yêu cầu về cường độ bê tông.

Bước 7. Xác định khối lượng xi măng và tro bay trong BTXM tro bay

a) Lựa chọn loại tro bay và tỷ lệ tro bay / CKD

Căn cứ theo khuyến nghị của tiêu chuẩn EN206 với tro bay loại F được dùng

thí nghiệm thì tỷ lệ sử dụng tới 33 % trong bê tông, do đó lựa chọn 5 loại tỷ lệ tro

bay /CKD gồm 15 %, 20 %, 25 %, 30 % và 33 %.

b) Xác định hệ số hiệu quả tro bay

Hệ số k sử dụng từ kết quả thí nghiệm (kNC) và theo kiến nghị của EN206 (kEN).

Bảng 2.18 – Hệ số hiệu quả tro bay cho từng loại bê tông

Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f) TT Hệ số hiệu quả tro bay (k) 15 % 20 % 25 % 30 % 33 %

1 0,7 0,63 0,55 0,48 0,43

2 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 Hệ số kNC thí nghiệm Hệ số kEN theo EN206

c) Xác định khối lượng xi măng và tro bay trong hỗn hợp chất kết dính

Hàm lượng XFC và F được tính theo các công thức (2.24) với 2 loại bê tông:

+ BTXM tro bay FCk-NC (với hệ số kNC thí nghiệm).

+ BTXM tro bay FCk-EN (với hệ số kEN theo EN206).

Bảng 2.19 – Kết quả tính thành phần xi măng và tro bay bê tông

Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f) TT Hàm lượng 15 % 20 % 25 % 30 % 33 %

1 Bê tông xi măng tro bay FCk-NC

392 381 373 366 364

69 95 124 157 179

Xi măng (XFC), kg Tro bay (FFC), kg Khối lượng CKD, kg 461 476 497 523 543

2 Bê tông xi măng tro bay FCk-EN

412 401 389 376 368

73 100 130 161 181

Xi măng (XFC), kg Tro bay (FFC), kg Khối lượng CKD, kg 485 501 519 538 549

Bước 8. Thành phần hỗn hợp bê tông xi măng tro bay theo hệ số k

Khối lượng cát trong bê tông khi có thành phần tro bay được tính lại theo

công thức (2.25) và có kết quả trong Bảng 2.20 và Bảng 2.21.

* Điều chỉnh thành phần hỗn hợp của các mẻ trộn thử: Qua các mẻ trộn thử cho

thấy, khi tỷ lệ tro bay / CKD tăng làm cho khối lượng CKD tăng nhưng bê tông vẫn

đạt được độ sụt thiết kế (tối thiểu 2,5 cm). Điều này có được là do tro bay đã có tác

dụng tăng tính công tác cho bê tông. Tuy nhiên cường độ bê tông chưa đạt được

như mong muốn. Do vậy, cần sử dụng thêm phụ gia giảm nước để đáp ứng yêu cầu

chế tạo bê tông làm mặt đường ô tô có cường độ và độ bền cao; đồng thời có tính

công tác tốt (thích ứng được với nhiều loại công nghệ thi công) nhằm nâng cao chất

lượng san rải, đầm nén và làm phẳng mặt đường.

Sử dụng phụ gia hóa dẻo Sikament với lượng giảm nước trung bình 11,5 %,

hàm lượng sử dụng 1 lít / 100 kg xi măng cho các loại hỗn hợp bê tông. Thành phần

hỗn hợp bê tông phải được tính lại sau khi sử dụng phụ gia giảm nước. Trong đó xi

măng, tro bay, cốt liệu thô là không đổi, lượng nước bằng 88,5 % lượng nước ban

đầu, lượng cát cần bổ sung thêm do giảm nước: Cbổ sung = ρC.Ngiảm.

Kết quả tính thành phần hỗn hợp được thống kê theo các bảng dưới đây:

Bảng 2.20 – Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-NC)

Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f) TT Tên chỉ tiêu 15 % 20 % 25 % 30 % 33 %

1 Hệ số hiệu quả tro bay (k) 0,63 0,55 0,48 0,43 0,7

2 Khối lượng xi măng (XFC), kg 364 392 381 373 366

3 Khối lượng tro bay (FFC), kg 179 69 95 124 157

4 Tổng khối lượng chất kết dính, kg 543 461 476 497 523

1106 1106 1106 1106 1106 5 Khối lượng cốt liệu thô (ĐFC), kg

172 172 172 172 172 6 Khối lượng nước (NFC), kg

624 711 694 672 645

7 Khối lượng cốt liệu nhỏ (CFC), kg 8 Hàm lượng phụ gia hóa dẻo, lít 3,92 3,81 3,73 3,66 3,64

9 Tỷ lệ nước / chất kết dính, N/(X+F) 0,373 0,362 0,347 0,330 0,317

10 Tỷ lệ nước / xi măng 0,439 0,453 0,463 0,471 0,474

Bảng 2.21 – Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-EN)

Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f) TT Tên chỉ tiêu 15 % 20 % 25 % 30 % 33 %

1 Hệ số hiệu quả tro bay (k) 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4

2 Khối lượng xi măng (XFC), kg 412 401 389 376 368

3 Khối lượng tro bay (FFC), kg 73 100 130 161 181

Bảng 2.21 – Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-EN) (tiếp theo)

Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f) TT Tên chỉ tiêu 15 % 20 % 25 % 30 % 33 %

538 4 Tổng khối lượng chất kết dính, kg 485 501 519 549

1106 1106 1106 1106 1106 5 Khối lượng cốt liệu thô (ĐFC), kg

172 172 172 172 172 6 Khối lượng nước (NFC), kg

691 673 653 632 618

7 Khối lượng cốt liệu nhỏ (CFC), kg 8 Hàm lượng phụ gia hóa dẻo, lít 4,12 4,01 3,89 3,76 3,68

9 Tỷ lệ nước / CKD, N/(X+F) 0,356 0,344 0,332 0,321 0,314

10 Tỷ lệ nước / xi măng 0,419 0,430 0,443 0,458 0,468

2.4.3. Chế tạo và thí nghiệm cường độ nén bê tông xi măng tro bay

2.4.3.1. Nội dung thí nghiệm

Hỗn hợp được chế tạo theo các quy định tiêu chuẩn ASTM C192 [44]. Trộn

hỗn hợp theo hướng dẫn của tiêu chuẩn Châu Âu [62], quy trình trộn gồm: giai đoạn

1 trộn khô gồm cát, xi măng, tro bay trong 2’30” và giai đoạn 2 trộn ướt cho nước,

phụ gia vào thùng trộn tiếp trong 3’00”. Mẫu được đầm chặt trên máy rung tự động

cho tới khi thoát hết bọt khí và hồ xi măng nổi đều, dùng bay gạt phẳng mẫu.

Các mẫu thí nghiệm được tiến hành ở 28 ngày tuổi. Các mẫu được làm

phẳng bề mặt tiếp xúc để đảm bảo mâm nén tiếp xúc với mặt mẫu trong quá trình

thí nghiệm. Thí nghiệm cường độ nén của bê tông được thực hiện theo ASTM C39

[45]. Thí nghiệm mẫu hình trụ có đường kính D =150 mm và chiều cao H = 300

mm; tiến hành gia tải lực với vận tốc không đổi 0,15 ÷ 0,35 MPa/s cho tới khi mẫu

phá hoại. Với mỗi loại bê tông tiến hành thí nghiệm 1 tổ gồm 6 mẫu nén.

Bảng 2.22 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm cường độ nén bê tông

Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f) TT Tên chỉ tiêu 15 % 20 % 25 % 30 % 33 %

1 Ký hiệu loại bê tông FC15 FC20 FC25 FC30 FC33

2 Tiêu chuẩn thí nghiệm cường độ nén ASTM C39

3 Tuổi mẫu thí nghiệm (ngày) 28 28 28 28 28

6 6 6 6 6 Số lượng mẫu thí nghiệm + Bê tông FCk-NC (k thí nghiệm)

(tiếp theo) Bảng 2.22 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm cường độ nén bê tông

Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f) TT Tên chỉ tiêu 15 % 20 % 25 % 30 % 33 %

6 6 6 6 6

+ Bê tông FCk-EN (k theo EN206) Tổng cộng 60 mẫu

Số liệu chi tiết kết quả thí nghiệm cường độ nén được trình bày tại Phụ lục 3.

Sau đây là tổng hợp kết quả thí nghiệm về hai loại BTXM tro bay FCk-NC và FCk-EN.

2.4.3.2. Kết quả thí nghiệm cường độ nén

Bảng 2.23 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay (FCk-NC)

Cường độ nén

FC25 k.NC 55,94

FC30 k.NC 45,69

FC15 k.NC 50,48

FC33 k.NC 51,59

Loại BTXM tro bay (FCk-NC) FC20 k.NC 51,84

55,33 46,89 47,11 51,35 55,08

46,58 45,04 48,32 44,26 44,55

m ệ i h g n í h t u ẫ

51,43 46,59 49,35 50,60 52,66

49,94 42,63 42,13 47,00 51,30

n n n n n n

R1 R2 R3 R4 R5 R6 53,29 33,63 54,52 49,86 47,23

Bảng 2.24 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay (FCk-EN)

Cường độ nén 15 % 33 % 30 % Loại BTXM tro bay (FCk-EN) 20 % 25 %

51,56 48,24 48,03 46,23 51,58

50,94 45,42 47,61 53,74 50,42

m ệ i h g n

49,90 48,67 51,53 50,34 50,36

í h t u ẫ

48,11 43,71 44,02 49,73 47,31

54,86 41,79 47,24 48,22 54,57

n n n n n n

R1 R2 R3 R4 R5 R6 49,60 54,83 45,90 49,91 49,97

2.4.4. Tính và phân tích kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay

Cường độ nén đặc trưng của bê tông được xác định từ các mẫu thí nghiệm

theo phương pháp xác suất thống kê ứng với xác suất 95 %. Độ lệch chuẩn (σ) của

nhóm kết quả thí nghiệm được xác định (với số lượng mẫu n < 12) [6] theo công

)

(

min

=σ

R max − n

thức: . Trong đó Rmax, Rmin là giá trị lớn nhất và bé nhất trong n mẫu

thí nghiệm. Kết quả tính được lập thành các bảng và biểu đồ như sau:

2.4.4.1. Tính và phân tích kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay FCk-NC

Bảng 2.25 – Kết quả tính cường độ nén BTXM tro bay FCk-NC

k.NC FC20

k.NC FC25

k.NC FC30

k.NC FC33

FC15 50,48

Loại BTXM tro bay FCk-NC Cường độ nén

k.NC 51,59

51,84 55,94 45,69

55,33 55,08 51,35 47,11 46,89

46,58 44,55 44,26 48,32 45,04 Cường độ nén các mẫu thử, MPa 51,43 52,66 50,60 49,35 46,59

49,94 51,30 47,00 42,13 42,63

53,29 47,23 49,86 - -

+ Giá trị trung bình Rtb, MPa 50,44 49,84 46,52 46,45 51,17

+ Độ lệch chuẩn σ, MPa 4,30 4,77 3,23 4,01 3,57

+ Giá trị đặc trưng f’c, MPa 43,39 42,01 41,3 39,98 45,31

Phân tích kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay FCk-NC bằng phần

mềm Minitab 17 được thể hiện tại Hình 2.7.

60

51.17

50.44

49.84

50

46.52

46.45

45.31

43.39

42.01

R_tk

41.30

39.98

41,3 40

) a P M

30 ( n é n

20 ộ đ g n ờ ư C

10

0 FC15

FC20

FC25

FC30

FC33

Loại bê tông tro bay FC(k.NC)

Hình 2.7. Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay FCk-NC

2.4.4.2. Tính và phân tích kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay FCk-EN

Bảng 2.26 – Kết quả tính cường độ nén BTXM tro bay FCk-EN

k.EN FC20

k.EN FC25

k.EN FC30

k.EN FC33

FC15 51,56

Loại BTXM tro bay FCk-EN Cường độ nén

k.EN 48,24

51,58 46,23 48,03

50,94 50,42 53,74 45,42 47,61

49,90 50,36 50,34 48,67 51,53 Cường độ nén các mẫu thử, MPa 48,11 47,31 49,73 43,71 44,02

54,86 54,57 48,22 41,79 47,24

49,60 49,97 49,91 - 45,90

+ Giá trị trung bình Rtb, MPa 45,57 50,83 50,70 49,69 47,39

+ Độ lệch chuẩn σ, MPa 3,07 2,76 2,97 3,07 3,06

46,31 45,84 44,66 42,36 40,53 + Giá trị đặc trưng f’c, MPa

Sử dụng phần mềm Minitab 17 để phân tích kết quả thí nghiệm cường độ

BTXM tro bay FCk-EN và được thể hiện tại Hình 2.8.

60

50.83

50.70

49.69

50

47.39

46.31

45.57

45.84

44.66

R_tk

42.36

) a P M

41.3 40

40.53

30

20 ( n é n ộ đ g n ờ ư C

10

0 FC15

FC20

FC30

FC33

FC25 Loại bê tông tro bay FC(k.EN)

Hình 2.8. Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay FCk-EN

* Nhận xét: từ các biểu đồ Hình 2.7 và Hình 2.8 cho thấy:

ku =

+ Với 5 loại BTXM tro bay với cùng mục tiêu đạt được cấp thiết kế (Rtk

n = 41,3 MPa), tuy nhiên thực tế thí nghiệm thì cường độ nén (đặc

4,5 MPa và Rtk

n và cường độ có xu hướng giảm (mặc

trưng) đạt được từ 0,97 ÷ 1,12 lần so với Rtk

dù không lớn) khi tỷ lệ tro bay / CKD tăng.

k.NC và FC33

k.EN đều có cường độ nén

+ Khi tỷ lệ f = 33 %, các loại bê tông FC33

ku = 4,5 MPa.

(đặc trưng) nhỏ hơn cường độ thiết kế. Vì vậy chỉ nên sử dụng tỷ lệ f ≤ 30 % khi thiết kế cho bê tông có cường độ kéo uốn Rtk

2.4.4.3. Phân tích so sánh kết quả thí nghiệm bê tông FCk-NC và FCk-EN

Từ các kết quả thí nghiệm cường độ nén đặc trưng (f’c) đem so sánh với giá

nR (41,3 MPa) và lập thành bảng như sau:

trị cường độ nén thiết kế

Bảng 2.27 – So sánh cường độ nén đặc trưng và cường độ nén thiết kế

BTXM tro bay FCk-NC BTXM tro bay FCk-EN

Tỷ lệ f ( %) Cường độ đặc trưng f’c (MPa) Cường độ đặc trưng f’c (MPa) Tỷ số tk /' c Rf n Tỷ số tk /' c Rf n

15 1,10 45,31 1,12 46,31

20 1,05 43,39 1,11 45,84

25 1,02 42,01 1,08 44,66

30 1,00 41,30 1,02 42,36

Hình 2.9. Biểu đồ

quan hệ giữa tỷ số

/' tk c Rf n

và tỷ lệ tro

bay / CKD

Ở cùng một tỷ lệ f nhất định, cường độ đặc trưng bê tông FCk-EN lớn hơn so

với bê tông FCk-NC do khối lượng xi măng được sử dụng nhiều hơn. Tuy nhiên kết

quả tính thành phần vật liệu bê tông FCk-EN với các tỷ lệ f bằng 15 % và 20 % cho khối lượng xi măng tương ứng là 412 kg/m3 và 401 kg/m3. Giá trị này lớn hơn theo

quy định đối với BTXM làm mặt đường ô tô là 400 kg/m3 theo [13],[1].

Khối lượng xi măng cao có thể dẫn tới hiện tượng co ngót nhiệt trong quá

trình thủy hóa của hồ xi măng. Nhiệt thủy hóa tỏa ra dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ

bề mặt và trong lòng khối bê tông. Sự chênh lệch nhiệt độ là nguyên nhân chính

phát sinh ứng suất kéo gây ra các vết nứt trong kết cấu mặt đường BTXM. Bên cạnh

đó việc tiêu chuẩn Châu Âu EN206 [54] sử dụng chung một hệ số hiệu quả k cho

các tỷ lệ tro bay / CKD khác nhau không đánh giá được ảnh hưởng của tro bay đến

cường độ của bê tông.

Kết quả thí nghiệm khi dùng với hệ số hiệu quả kNC đã được thí nghiệm thì

hàm lượng xi măng bị giảm đi đáng kể và khi tỷ lệ tro bay / CKD lớn hơn 30 %, bê

tông khó đạt được cường độ thiết kế mong muốn. Từ việc phân tích kết quả thí

nghiệm của 2 loại bê tông FCk-EN và FCk-NC, kiến nghị tro bay nên sử dụng từ 15 ÷

30 % và hệ số k được lấy là giá trị trung bình của hai hệ số kEN và kNC như trong

Bảng 2.28 dưới đây.

Bảng 2.28 – Bảng giá trị hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông mặt đường ô tô

Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (f) 15 ÷ 20 % 20 ÷ 25 % 25 ÷ 30 %

Hệ số hiệu quả tro bay, k 0,55 ÷ 0,52 0,52 ÷ 0,48 0,48 ÷ 0,44

2.4.5. Công thức thành phần vật liệu bê tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô

Thành phần vật liệu BTXM tro bay (FC) làm mặt đường ô tô được tính lại

theo tỷ lệ và hệ số hiệu quả (k) lấy từ Bảng 2.28; bên cạnh đó còn tính toán cho cả

BTXM không tro bay (PC) để đối chứng, kết quả được tổng hợp như sau:

Bảng 2.29 – Thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô

Loại BTXM tro bay TT Tên chỉ tiêu Bê tông PC FC15 FC20 FC25 FC30

A Thành phần vật liệu

400 390 380 370 440 1 Khối lượng xi măng (XFC), kg

2 Khối lượng tro bay (F), kg 73 96 125 160 0

3 Khối lượng cốt liệu thô, kg 1106 1106 1106 1106 1106

4 Khối lượng nước (N), kg 172 172 172 172 172

(tiếp theo) Bảng 2.29 – Thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô

Loại BTXM tro bay TT Tên chỉ tiêu Bê tông PC FC15 FC20 FC25 FC30

740 5 Khối lượng cốt liệu nhỏ, kg 700 685 665 640

6 Hàm lượng phụ gia hóa dẻo, lít 4,00 3,90 3,80 3,70 4,40

B Các thông số tính toán

7 Hệ số hiệu quả tro bay (k) 0,55 0,52 0,48 0,44 0

8 473 486 505 530 440

9 40 50 60 70 0

Tổng khối lượng chất kết dính (CKD = XFC + F), kg Khối lượng xi măng được quy đổi tương đương từ tro bay (Xqđ = k.F), kg

Tổng khối lượng xi măng sau quy 10 440 440 440 440 440

11 15 20 25 30 0 đổi (Σ Xqđ = XFC + k.F), kg Tỷ lệ tro bay / chất kết dính (F / CKD), %

12 100 85 80 75 70

13 0 18 25 33 43

14 0,39 0,36 0,35 0,34 0,32 Tỷ lệ xi măng / chất kết dính (XFC / CKD), % Tỷ lệ tro bay / xi măng (F / XFC), % Tỷ lệ nước / chất kết dính (N / CKD)

15 0,39 0,39 0,39 0,39 0,39 Tỷ lệ nước / xi măng quy đổi (N / Xqđ)

Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay làm mặt đường ô tô là cơ sở để chế tạo

và thí nghiệm các tính năng cơ học của bê tông trong Chương 3.

* Từ các số liệu Bảng 2.29, phân tích thành phần vật liệu trong các loại

BTXM tro bay (FC) và BTXM không tro bay (PC) để đối chứng theo Hình 2.10

như sau:

Hình 2.10. Biểu đồ khối lượng thành phần vật liệu bê tông FC và bê tông PC

+ Từ biểu đồ (Hình 2.10–a) cho thấy, khi sử dụng tro bay để thay thế một

phần xi măng với tỷ lệ tro bay / CKD từ 0 ÷ 30 % đã làm giảm khối lượng xi măng

từ 0 ÷ 70 kg; trong khi đó khối lượng tro bay đã tăng lên từ 0 ÷ 160 kg. Tính trung

bình, khối lượng tro bay phải sử dụng nhiều gấp đôi khối lượng xi măng giảm đi.

+ Khi đưa hệ số k vào trong công thức tính toán thành phần vật liệu (2.22)

theo nguyên tắc: trong bê tông có các tỷ lệ tro bay / CKD khác nhau, nhưng tổng

khối lượng xi măng quy đổi (Σ Xqđ = XFC + k.F) là không đổi nhằm đảm bảo cho

các loại bê tông đều đạt được theo cường độ thiết kế yêu cầu.

Trên biểu đồ (Hình 2.10–b), với tỷ lệ tro bay / CKD tăng từ 0 ÷ 30 %, tương

ứng với khối lượng xi măng / CKD giảm từ 440 ÷ 370 kg, nhưng đồng thời khối

lượng xi măng được quy đổi từ tro bay (Xqđ = k.F) có khối lượng tăng từ 0 ÷ 70 kg.

Vì vậy, tổng khối lượng xi măng quy đổi là Σ Xqđ = 440 kg là như nhau với bốn loại

bê tông FC và bằng khối lượng xi măng trong bê tông không tro bay (PC).

* Phân tích một số thông số tính toán thành phần vật liệu bê tông (Hình 2.11):

+ Từ biểu đồ Hình 2.11–a cho thấy, khi tỷ lệ tro bay / CKD tăng từ 0 ÷ 30 %,

tương ứng với tỷ lệ xi măng / CKD giảm từ 100 ÷ 70 % và tỷ lệ tro bay / xi măng

tăng từ 0 % ÷ 43 %.

+ Theo biểu đồ Hình 2.11–b cho thấy, do khối lượng nước (N = 172 lít) và

tổng khối lượng xi măng quy đổi (Σ Xqđ = 440 kg) đều không thay đổi vì vậy tỷ lệ N

/Σ Xqđ trong các loại bê tông là bằng nhau (bằng 0,39).

+ Khi tỷ lệ tro bay / CKD tăng từ 0 ÷ 30 %, tổng khối lượng chất kết dính

tăng từ 440 ÷ 530 kg, do đó tỷ lệ nước / CKD giảm từ 0,39 ÷ 0,32.

Hình 2.11. Biểu đồ tỷ lệ thành phần vật liệu trong BTXM tro bay

2.5. Kết luận Chương 2

(1). Trên cơ sở công thức cường độ nén của Bolomey, thiết lập công thức xác

−

(

1)1

+−

)5,01( ω f

định hệ số hiệu quả tro bay (k) như sau:

trong đó: k – hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông; f, ω – tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ

nước / CKD; Rs – hệ số cường độ được xác định bằng thí nghiệm.

(2). Kết quả thí nghiệm và phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ

lệ nước / CKD đến hệ số hiệu quả tro bay cho thấy:

+ Với cùng một tỷ lệ nước / CKD, cường độ của BTXM tro bay có xu hướng

tăng và đạt giá trị lớn nhất khi tỷ lệ tro bay / CKD ở mức 15 %, sau đó giảm dần.

+ Khi tỷ lệ tro bay / CKD nhỏ hơn 15 %, hệ số hiệu quả tro bay (k) tăng và

đạt cực đại ở 15 %. Ở tỷ lệ này tro bay có hiệu quả cao nhất do lượng Ca(OH)2 sinh ra từ các phản ứng thủy hóa đã được chuyển hóa nhiều nhất thành các chất CHS

mới bền vững hơn thông qua các quá trình phản ứng puzơlan với các thành phần

khoáng vật của tro bay.

+ Khi tỷ lệ tro bay / CKD lớn hơn 15 %, hệ số k giảm do lượng xi măng

trong hỗn hợp giảm nhiều, trong khi đó các khoáng chất CHS mới được sinh ra

không đủ để bù đắp sự thiếu hụt cường độ của lượng xi măng giảm.

+ Khi tỷ lệ tro bay / CKD nhỏ hơn 15 %, hệ số k phụ thuộc vào tỷ lệ tro bay /

CKD và tỷ lệ nước / CKD. Tuy nhiên khi tỷ lệ tro bay / CKD lớn hơn 15 %, hệ số k

phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ tro bay / CKD và có giá trị như sau:

Tỷ lệ tro bay / CKD (f) Hệ số hiệu quả tro bay (k) TT

15 ÷ 35 % 0,70 ÷ 0,40 1

35 ÷ 70 % 0,40 ÷ 0,27 2

(3). Thiết lập phương pháp thiết kế thành phần vật liệu BTXM tro bay theo

hệ số k (gồm 8 bước) trên cơ sở vận dụng nội dung tiêu chuẩn ACI 211.4R và các

quy định hiện hành về thiết kế, thi công mặt đường BTXM ở nước ta hiện nay.

Trong đó đã dùng hệ số k để điều chỉnh hàm lượng xi măng và tro bay nhằm đạt

được cường độ nén và cường độ kéo uốn thiết kế ở tuổi 28 ngày như sau:

X FC

1 − (1 k +

f )1 −

f −

(1 +

và (kg)

trong đó: XFC , X0 – khối lượng xi măng trong BTXM tro bay và trong BTXM thông thường không tro bay;

k , f – hệ số hiệu quả tro bay và tỷ lệ tro bay / CKD.

(4). Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về việc lựa chọn thành phần BTXM tro

bay làm mặt đường ô tô với tỷ lệ tro bay / CKD (loại F) có thể sử dụng từ 15 ÷ 30

%; tương ứng với khối lượng xi măng từ 370 ÷ 400 kg và khối lượng tro bay từ 73 ÷

160 kg.

Chương 3

THÍ NGHIỆM MỘT SỐ TÍNH NĂNG CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY

LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

Căn cứ vào công thức thiết kế thành phần vật liệu BTXM tro bay đã xác định

trong chương 2, tiến hành thí nghiệm một số tính chất cơ lý quan trọng của BTXM

tro bay (hỗn hợp bê tông tươi, tính năng cơ học và độ bền ) với các tỷ lệ tro bay /

CKD bằng 15, 20, 25 và 30 % nhằm đánh giá khả năng đáp ứng các yêu cầu làm

mặt đường ô tô.

3.1. Vật liệu và kế hoạch thí nghiệm

Vật liệu được sử dụng để chế tạo BTXM tro bay gồm xi măng, tro bay, cát,

đá dăm và nước cùng loại với vật liệu đã được thí nghiệm trong Chương 2. Quá

trình chế tạo và bảo dưỡng mẫu bê tông tuân thủ theo quy định của ASTM C192

[44] như đã trình bày trong Mục 2.4.3. Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm được

tổng hợp theo bảng Bảng 3.1.

Bảng 3.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm

TT Tên chỉ tiêu Số lượng mẫu

1 Ký hiệu loại bê tông PC FC15 FC20 FC25 FC30

2 Tỷ lệ tro bay / chất kết dính 0 % 15 % 20 % 25 % 30 %

3 Độ sụt (TCVN 3016:1993 [16]) 45 mẫu

3 3 3 3 3 + Độ sụt (0 phút)

3 3 3 3 3 + Độ sụt (sau 45 phút)

3 3 3 3 3 + Độ sụt (sau 60 phút)

4 30 mẫu Thời gian đông kết (TCVN 6017:1995 [21])

3 3 3 3 3 + Thời gian bắt đầu đông kết

6 mẫu

3 3 3 3 3 + Thời gian kết thúc đông kết

120 mẫu

5 Nhiệt độ tỏa ra trong bê tông

6 Cường độ nén (ASTM C39 [45])

+ Cường độ nén ở 7 ngày 6 6 6 6 6

Bảng 3.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm (tiếp theo)

TT Tên chỉ tiêu Số lượng mẫu

6 + Cường độ nén ở 14 ngày 6 6 6 6

+ Cường độ nén ở 28 ngày 6 6 6 6 6

+ Cường độ nén ở 56 ngày 6 6 6 6 6

30 mẫu 7 Mô đun đàn hồi (ASTM C469 [39]) 6 6 6 6 6

30 mẫu 8 Cường độ kéo uốn (ASTM C78 [41]) 6 6 6 6 6

30 mẫu 9 Độ mài mòn (TCVN 3114:1993 [18]) 6 6 6 6 6

30 mẫu 10 Độ thấm nước (TCVN 3116:1993 [19]) 6 6 6 6 6

Chi tiết các kết quả thí nghiệm một số tính năng của BTXM tro bay (FC) và

bê tông xi măng không tro bay (PC) để đối chứng được trình bày tại Phụ lục 4. Sau

đây là nội dung tóm tắt về phương pháp và tổng hợp kết quả thí nghiệm.

3.2. Thí nghiệm tính công tác hỗn hợp BTXM tro bay

3.2.1. Thí nghiệm độ sụt

* Phương pháp thí nghiệm:

Độ sụt của hỗn hợp bê tông tươi được thực hiện theo TCVN 3016:1993 [16]

và tham khảo ASTM C143 [40]. Thiết bị khuôn hình nón tiêu chuẩn cao 300 mm,

đường kính đáy 200 mm, đường kính miệng trên 100 mm. Thời gian xác định khi

bê tông ổn định, đo sự sụt giảm theo chiều cao và đo kiểm tra thêm độ sụt duy trì

sau 45 và 60 phút.

* Kết quả thí nghiệm độ sụt của bê tông được trình bày trong Bảng 3.2 như sau:

Bảng 3.2 – Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông

BTXM tro bay (FC) TT Độ sụt Bê tông PC FC15 FC20 FC25 FC30

1 Độ sụt SN (0 phút), mm 47,0 53,5 59,0 64,5 42,4

2 Độ sụt (sau 45 phút), mm 31,5 41,4 48,3 54,9 23,2

Bảng 3.2 – Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông (tiếp theo)

BTXM tro bay (FC) TT Độ sụt Bê tông PC FC15 FC20 FC25 FC30

3 Độ sụt (sau 60 phút), mm 42,5 24,3 33,9 50,1 16,4

4 Tổn thất độ sụt sau 45 phút, mm 15,5 12,1 10,7 9,6 19,2

5 Tổn thất độ sụt sau 60 phút, mm 22,7 19,6 16,5 14,4 26,0

6 Tỷ số SNFC / SNPC 1,1 1,3 1,4 1,5 1,0

* Phân tích thống kê (ANOVA) về số liệu thí nghiệm:

Phân tích thống kê nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay / CKD

(biến số f) đến kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông (SN) tại các thời điểm thí nghiệm

khác nhau. Kết quả thu được như sau:

Bảng 3.3 – Kết quả phân tích thống kê ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay/ CKD đến độ sụt

điều chỉnh

TT Thông số SN0 Độ sụt SN45 SN60

0,875 0,919 0,894

1 Hệ số R2 2 Giá trị Pvalue

3 Phương trình hồi quy 0,013 SN0 = 0,74 f + 40,04 0,006 SN45 = 1,07 f + 20,58 0,010 SN60 = 1,13 f + 13,12

Kết quả cho thấy, các giá trị Pvalue đều nhỏ hơn 0,05 cho thấy biến số f có

điều chỉnh có giá trị lớn hơn 0,8 vì vậy giữa

ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm độ sụt SN ở cả 3 thời điểm (0; 45 và 60 phút). Hệ số tương quan điều chỉnh (bình phương) R2

độ sụt (SN) và tỷ lệ (f) có mối tương quan chặt chẽ.

* Phân tích kết quả thí nghiệm theo Hình 3.1 như sau:

Hình 3.1. Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông

+ Độ sụt bê tông tăng theo tỷ lệ tro bay / CKD. So với bê tông PC, độ sụt bê

tông FC tăng từ 1,1 ÷ 1,5 lần.

+ Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD từ 0 ÷ 15 %, tốc độ tổn thất độ sụt xảy ra

nhanh ở 45 phút đầu. Bê tông FC có 20 ÷ 30 % tro bay, độ sụt duy trì ổn định và độ

tổn thất độ sụt giảm dần theo thời gian.

Như vậy, tro bay đã cải thiện và duy trì ổn định độ sụt bê tông tốt hơn so với

bê tông đối chứng (PC), điều này có được là do tro bay có hạt hình tròn, mịn hơn xi

măng và hàm lượng cacbon thấp.

3.2.2. Thí nghiệm thời gian đông kết

* Phương pháp thí nghiệm:

Phương pháp xác định thời gian đông kết chất kết dính gồm xi măng và tro

bay được xác định theo TCVN 6017:1995 [21]. Thời gian đông kết được xác định

bằng cách quan sát độ lún sâu của dụng cụ Vicat (kim có chiều dài 50 mm, đường

kính 13 mm) vào trong hồ xi măng có độ dẻo tiêu chuẩn cho đến khi đạt được đến

giá trị quy định. Thời gian bắt đầu đông kết được xác định là thời gian đo từ điểm

“không” khi khoảng cách giữa kim và đế đạt 4 mm và lấy đó là thời gian bắt đầu

đông kết. Thời gian kết thúc đông kết từ điểm “không” vào lúc kim chỉ lún 0,5 mm

vào mẫu.

Với mỗi loại hỗn hợp chất kết dính, tiến hành thí nghiệm với 3 mẫu thử để

xác định thời gian bắt đầu đông kết và 3 mẫu thử để xác định thời gian kết thúc

đông kết. Kết quả được lấy theo giá trị trung bình của 3 mẫu thử.

* Kết quả thí nghiệm:

Kết quả thí nghiệm 4 loại hỗn hợp chất kết dính và so sánh với mẫu chất kết

dính chỉ có xi măng được trình bày trong trong Bảng 3.4.

Bảng 3.4 – Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết

Xi măng và tro bay TT Thời gian đông kết Xi măng FC15 FC20 FC25 FC30

137 145 154 162 125 1 Bắt đầu tBĐ, phút

165 175 187 197 146 2 Kết thúc tKT, phút

Bảng 3.4 – Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết (tiếp theo)

Xi măng và tro bay TT Thời gian đông kết Xi măng FC15 FC20 FC25 FC30

3 Thời gian bắt đầu – kết thúc, phút 28 30 33 35 21

12 20 29 37 0 4 Hiệu số tFC – tPC (bắt đầu), phút

19 29 41 51 0 5 Hiệu số tFC – tPC (kết thúc), phút

* Phân tích thống kê (ANOVA) về số liệu thí nghiệm:

Phân tích thống kê nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay / CKD

(biến số f) đến kết quả thí nghiệm thời gian bắt đầu (tBĐ) và thời gian kết thúc đông

kết (tBĐ). Kết quả thu được như sau:

Bảng 3.5 – Kết quả phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ (f) đến thời gian đông kết

điều chỉnh

Thời gian đông kết (t) TT Thông số Bắt đầu Kết thúc

0,875 0,919

1 Hệ số R2 2 Giá trị Pvalue 3 Phương trình hồi quy 0,013 tBĐ = 0,735.f + 40,042 0,006 tKT = 1,071.f + 20,583

Kết quả cho thấy, các giá trị Pvalue đều nhỏ hơn 0,05 cho thấy biến số f có

điều chỉnh có giá trị > 0,8 vì vậy giữa thời gian đông kết (t)

ảnh hưởng đến thời gian bắt đầu (tBĐ) và kết thúc đông kết (tBĐ). Hệ số tương quan điều chỉnh bình phương R2

và tỷ lệ (f) có mối tương quan chặt chẽ.

* Phân tích kết quả thí nghiệm (Hình 3.2):

- Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết đều tăng theo tỷ lệ tro bay / CKD.

So với chất kết dính chỉ có xi măng thì hỗn hợp chất kết dính xi măng tro bay có

thời gian bắt đầu đông kết chậm hơn 12 ÷ 37 phút và kết thúc đông kết chậm hơn 19

÷ 51 phút.

- Theo tỷ lệ tro bay / CKD (0 ÷ 30 %), khoảng thời gian bắt đầu - kết thúc

tăng lên và có giá trị từ 21 ÷ 35 phút.

Hình 3.2. Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết

Như vậy, tro bay có tác dụng làm chậm thời gian bắt đầu và kết thúc đông

kết của hỗn hợp chất kết dính do tốc độ phản ứng puzơlan chậm hơn so với tốc độ

phản ứng thủy hóa xi măng.

3.3. Thí nghiệm đo nhiệt độ thủy hóa tỏa ra trong bê tông

Nhiệt tỏa ra trong bê tông có thể đo trực tiếp bằng thiết bị xác định nhiệt độ

đoạn nhiệt khi coi khối bê tông bị cô lập hoàn toàn, sự tăng nhiệt độ của khối bê

tông do nhiệt sinh ra từ quá trình thủy hóa xi măng. Theo nghiên cứu của Vũ Hải

Nam [24], nhiệt độ tăng thêm trong bê tông có quan hệ tuyến tính với tỷ lệ tro bay /

CKD. Khi tỷ lệ này càng lớn thì nhiệt độ đoạn nhiệt càng giảm. Vì vậy chỉ tiến hành

thí nghiệm với 2 loại mẫu bê tông là PC và FC30.

Hình 3.3. Sơ đồ bố trí đầu đo nhiệt trong mẫu bê tông

* Phương pháp thí nghiệm:

Mẫu thí nghiệm được chế tạo từ thành phần hỗn hợp bê tông cho 2 loại bê

tông là PC và FC30; mẫu đúc trong khuôn có kích thước 250 × 250 × 400 mm, các

đầu đo nhiệt được bố trí trong khuôn bao gồm nhiệt độ tâm (T3); nhiệt độ vách (T4,

T5); nhiệt độ tại vị trí cách đều các cạnh bên 100 mm (T1, T2); nhiệt độ trong bể

(Tbể) và nhiệt độ môi trường (Tmt) như trên Hình 3.3.

- Lắp các sensor đo nhiệt độ tại các vị trí bên trong mẫu thử và được đặt ngay vào

thùng xốp (môi trường kín), tránh việc thay đổi nhiệt độ quá lớn của môi trường khi

tiến hành thí nghiệm. Thiết bị đo gồm 2 phần: các đầu đo được bố trí trong mẫu thí

nghiệm và bộ phận hiển thị nhiệt độ được đặt trong phòng thí nghiệm (Hình 3.4).

Hình 3.4. Ảnh thí nghiệm đo nhiệt trong khối bê tông

* Kết quả thí nghiệm đo nhiệt trong các khối bê tông

- Kết quả đo nhiệt độ từ 5 đầu đo sensor trong các mẫu bê tông như sau:

)

C

0 ( ộ đ t ệ i h N

25 20

Thời gian (giờ)

T bể

T mt

Hình 3.5. Nhiệt trong khối bê tông PC tại các đầu đo

)

C

0 ( ộ đ t ệ i h N

65 70 Thời gian (giờ)

45 T bể

40 T5

T mt

35 T4 Hình 3.6. Nhiệt trong khối bê tông FC30 tại các đầu đo

- Sự phát triển nhiệt độ tại tâm mẫu bê tông PC và FC30 theo biểu đồ sau:

Hình 3.7. Sự phát triển nhiệt độ tại tâm mẫu bê tông

- Kết quả đo nhiệt độ lớn nhất tại tâm các mẫu được tổng hợp trong bảng sau:

Bảng 3.6 – Kết quả đo nhiệt độ lớn nhất tại tâm các mẫu bê tông

TT PC FC30 Loại bê tông

20,1 20,2 1

22,9 22,3 2

64,8 53,4 3

4 41,9 31,1

5 40 48 Nhiệt độ môi trường (oC) Nhiệt độ hỗn hợp bê tông sau trộn 30 phút (oC) Nhiệt độ cao nhất khối đổ (oC) Nhiệt độ đoạn nhiệt, ∆T (oC) Thời gian đạt nhiệt độ cao nhất sau khi trộn (giờ)

Kết quả thí nghiệm cho thấy, nhiệt độ lớn nhất của bê tông PC là 64,8 0C ở 40 giờ; của bê tông FC30 là 53,4 0C ở 48 giờ. Như vậy khi sử dụng tro bay với tỷ lệ bằng 30 % thì nhiệt độ tỏa ra trong bê tông đã giảm được 11,4 0C (17,6 %) và thời

gian đạt tới nhiệt độ lớn nhất được kéo dài thêm 8 giờ. Trung bình với mỗi lượng tro bay tăng thêm 5 % thì nhiệt độ tỏa ra giảm được 2,9 0C.

Theo kết quả tính lý thuyết nhiệt độ thủy hóa trong bê tông có quan hệ tuyến

tính với tỷ lệ tro bay / CKD, từ đó xác định cho các loại bê tông còn lại (FC15,

FC20 và FC25) như sau:

Bảng 3.7 – Kết quả thí nghiệm nhiệt độ tỏa ra trong bê tông

BTXM tro bay (FC) Loại bê tông Bê tông PC FC15 FC20 FC25 FC30

39,2 36,5 33,8 31,1 41,9 Nhiệt thủy hóa bê tông, ∆T (oC)

Kết quả thí nghiệm cho thấy, tỷ lệ tro bay / CKD càng tăng thì nhiệt thủy hóa

càng giảm. Trong các tiêu chuẩn về thiết kế [12] và thi công [13] mặt đường BTXM

không đưa ra các quy định trực tiếp về nhiệt thủy hóa trong bê tông. Trong khi đó,

đây là một trong những nguyên nhân chính sinh ra ứng suất nhiệt trong mặt đường

BTXM ở giai đoạn tuổi sớm. Vấn đề này sẽ được trình bày trong Mục 4.3 của

Chương 4.

3.4. Thí nghiệm sự phát triển cường độ nén bê tông

Để xem xét sự phát triển của cường độ nén BTXM tro bay, tiến hành thí

nghiệm ở bốn tuổi mẫu là 7; 14; 28 và 56 ngày. Phương pháp thí nghiệm cường độ

nén của bê tông được thực hiện theo ASTM C39 [45] như đã trình bày ở Mục 2.4.3.

Với mỗi loại bê tông ở tuổi nhất định, tiến hành thí nghiệm một tổ gồm 6 mẫu thử

hình trụ (đường kính 150 mm, chiều cao 300 mm), cường độ nén được xác định là

giá trị đặc trưng của các mẫu thử.

Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông được trình bày từ bảng Bảng 3.8

đến Bảng 3.11 và từ Hình 3.8 đến Hình 3.11.

3.4.1. Cường độ nén ở 7 ngày

Bảng 3.8 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 7 ngày

BTXM tro bay TT Cường độ nén ở 7 ngày BT đối chứng PC FC15 FC20 FC25 FC30

36,61 37,07 40,07 38,78 42,82

39,84 38,11 35,46 35,47 41,83

37,58 39,20 37,74 33,20 41,34 1 Kết quả thí nghiệm, MPa 37,40 40,09 36,55 34,16 38,99

40,18 37,17 39,23 37,98 41,43

36,39 35,02 34,02 36,65 44,06

41,75 38,00 37,77 37,18 36,04 2 Giá trị trung bình Rtb, MPa

4,96 4,07 5,48 6,64 6,32 3 Độ lệch chuẩn σ, MPa

35,46 34,38 33,13 32,30 38,35 4 Giá trị đặc trưng, MPa

5 92,5 89,7 86,4 84,2 100,0 Tỷ số cường độ nén đặc trưng của bê tông FC so với bê tông PC (%)

Hình 3.8. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 7 ngày

* Phân tích kết quả thí nghiệm:

Ở 7 ngày, sự chênh lệch về cường độ giữa các loại BTXM tro bay là không

lớn, đường đồ thị cường độ trung bình có dạng lõm. So với bê tông PC, cường độ

nén bê tông FC bằng 84,2 ÷ 92,5 %. Nguyên nhân do ở tuổi 7 ngày, các phản ứng

puzơlan diễn ra chậm nên chưa có nhiều hiệu quả về mặt cường độ. Trong khi đó

hàm lượng xi măng giảm khi tỷ lệ f tăng đã ảnh hưởng đến cường độ bê tông.

3.4.2. Cường độ nén ở 14 ngày

Bảng 3.9 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 14 ngày

BTXM tro bay TT Cường độ nén ở 14 ngày BT đối chứng PC FC15 FC20 FC25 FC30

46,32 41,57 45,48 43,94 41,10

43,91 45,14 41,70 43,69 46,34

42,20 40,08 40,61 40,21 43,96 1 Kết quả thí nghiệm, MPa 44,47 41,59 39,96 38,85 45,09

45,22 42,18 41,50 46.38 43,53

46,14 46,30 - 40,51 43,65

44,82 43,92 43,46 41,54 41,08 2 Giá trị trung bình Rtb, MPa

3 Độ lệch chuẩn σ, MPa 2,54 1,78 1,97 1,15 1,87

4 Giá trị đặc trưng, MPa 42,93 40,86 39,30 38,62 37,84

5 95,2 91,5 89,9 88,1 100,0 Tỷ số cường độ nén đặc trưng của bê tông FC so với bê tông PC (%)

Hình 3.9. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 14 ngày

* Phân tích kết quả thí nghiệm:

Ở 14 ngày, cường độ BTXM tro bay có giá trị 37,84 ÷ 40,86 MPa và bằng

88,1 ÷ 95,2 % cường độ bê tông PC (42,93 MPa). Ở tuổi này, cường độ nén BTXM

tro bay đã tiến gần đến cường độ nén bê tông PC hơn so với ở 7 ngày. Điều này

được giải thích do các phản ứng puzơlan bắt đầu phát huy tác dụng về mặt cường độ

tuy nhiên vẫn chưa đủ để bù đắp lượng xi măng giảm đi. Đđường đồ thị cường độ

trung bình có dạng tuyến tính (Hình 3.9).

3.4.3. Cường độ nén ở 28 ngày

Bảng 3.10 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 28 ngày

BTXM tro bay TT Cường độ nén ở 28 ngày BT đối chứng PC FC15 FC20 FC25 FC30

50,90 51,31 53,23 48,98 45,99

48,61 51,27 51,97 49,74 49,88

53,23 48,34 49,45 50,09 47,68 1 Kết quả thí nghiệm, MPa 47,82 50,69 47,39 47,39 50,12

50,24 47,46 48,59 47,54 49,83

49,90 47,72 46,43 45,09 52,08

2 Giá trị trung bình Rtb, MPa 50,19 49,79 48,80 47,64 50,08

3 Độ lệch chuẩn σ, MPa 2,35 2,26 2,04 1,80 2,21

4 Giá trị đặc trưng, MPa 47,14 46,57 45,92 45,09 44,29

5 98,8 97,4 95,7 94,0 100,0 Tỷ số cường độ nén đặc trưng của bê tông FC so với bê tông PC (%)

Hình 3.10. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 28 ngày

Ở 28 ngày, các phản ứng puzơlan đã phát huy có hiệu về mặt cường độ để bù đắp lượng xi măng được giảm đi (so với mẫu đối chứng), sự chênh lệch về cường độ nén bê tông ở các tỷ lệ f bằng 15 % và 20 % so với bê tông đối chứng là không nhiều vì vậy đường đồ thị cường độ trung bình có dạng cong lồi (Hình 3.10).

3.4.4. Cường độ nén ở 56 ngày

Bảng 3.11 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 56 ngày

BTXM tro bay TT Cường độ nén ở 56 ngày BT đối chứng PC FC15 FC20 FC25 FC30

54,07 56,37 57,78 56,36 56,88

53,45 56,98 54,61 53,55 55,15

54,00 54,80 54,55 50,91 56,48 1 Kết quả thí nghiệm, MPa 56,66 54,41 53,57 54,92 56,40

56,12 54,35 57,59 55,41 54,37

52,65 53,09 51,91 - 52,02

54,75 54,87 55,24 54,76 54,33 2 Giá trị trung bình Rtb, MPa

3 Độ lệch chuẩn σ, MPa 1,92 2,32 2,67 1,82 1,64

4 Giá trị đặc trưng, MPa 48,66 49,06 49,49 48,42 46,96

5 100,8 101,7 99,5 96,5 100,0 Tỷ số cường độ nén đặc trưng của bê tông FC so với bê tông PC (%)

Hình 3.11. Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 56 ngày

* Phân tích kết quả thí nghiệm:

Ở 56 ngày, các phản ứng puzơlan đã phát huy tích cực về mặt cường độ để bù đắp lượng xi măng được giảm đi (so với mẫu đối chứng). Do đó bê tông có tỷ lệ 15 % và 20 % tro bay có cường độ nén cao hơn bê tông PC (100,8 % và 101,7 %). Bê tông FC25 tương đương bê tông PC, chỉ riêng bê tông FC30 cường độ vẫn thấp hơn (96,5 %). Đường đồ thị cường độ trung bình có dạng nằm ngang (Hình 3.11).

3.4.5. Phân tích sự phát triển cường nén bê tông theo thời gian

Sự phát triển cường độ nén của bê tông ở 7 ngày, 14 ngày và 56 ngày so với

28 ngày được lập theo Bảng 3.12 và Hình 3.12.

Bảng 3.12 – Sự phát triển cường độ nén đặc trưng

Cường độ nén đặc trưng ở các ngày tuổi, MPa TT Loại bê tông

7 ngày 14 ngày 28 ngày 56 ngày Tỷ lệ % so với cường độ nén 28 ngày 28 ngày 14 ngày 56 ngày 7 ngày

1 35,46 40,86 46,57 49,06 76,16 87,74 100,00 105,34

2 34,38 39,30 45,92 49,49 74,86 85,58 100,00 107,76

3 33,13 38,62 45,09 48,42 73,48 85,65 100,00 107,39

4 32,30 37,84 44,29 46,96 72,93 85,45 100,00 106,03

5 38,35 42,93 47,14 48,66 81,36 91,09 100,00 103,23 BTXM tro bay FC15 BTXM tro bay FC20 BTXM tro bay FC25 BTXM tro bay FC30 Bê tông đối chứng, PC

Hình 3.12. Sự phát triển cường độ nén BTXM tro bay theo thời gian

Ở Hình 3.12 cho thấy tương tự như BTXM thông thường, cường độ nén của

BTXM tro bay phát triển theo thời gian. Ở các tuổi 7, 14 ngày cường độ nén trong

các mẫu BTXM tro bay nhỏ hơn so với BTXM đối chứng rõ rệt. Ở 28 ngày sự

chênh lệch này đã được thu hẹp và đến 56 ngày cường độ nén của bê tông có tỷ lệ

15 %, 20 % và 25 % tro bay bằng và thậm chí vượt cường độ nén bê tông đối

chứng. Tốc độ phát triển cường độ nén so với ở 28 ngày được thể hiện Hình 3.13.

Hình 3.13. Tốc độ phát triển cường độ nén so với cường độ ở 28 ngày

Trên Hình 3.13 cho thấy, với bê tông không tro bay (PC), cường độ nén ở 7

ngày đạt được 81,36 %, ở 14 ngày đạt 91,09 %, ở 56 ngày đạt 103,23 %. Đối với

BTXM tro bay (FC), cường độ nén ở 7 ngày đạt được từ 72,93 % ÷ 76,16 %, ở 14

ngày đạt từ 85,45 % ÷ 87,74 % và ở 56 ngày đạt từ 105,34 % ÷ 106,03 %.

Như vậy trước 28 ngày tốc độ phát triển cường độ nén trong BTXM tro bay

đều chậm hơn so với BTXM đối chứng nhưng sau 28 ngày thì nhanh hơn. Điều này

một lần nữa khẳng định các phản ứng puzơlan vẫn tiếp tục xảy ra.

3.5. Thí nghiệm cường độ kéo uốn

* Phương pháp thí nghiệm:

Thí nghiệm cường độ kéo uốn của bê tông được thực hiện theo TCVN

3119:1993 [17] và tham khảo theo ASTM C78 [41]. Mẫu thí nghiệm dạng dầm có

kích thước 15×15×60 cm. Bảo dưỡng mẫu được thực hiện theo TCVN 3105:1993

[15] và tham khảo ASTM C192 [44]. Mẫu được phủ ẩm trong khuôn thép 24h, sau

đó bảo dưỡng tiếp trong bể ngâm nước đến cho đến thí nghiệm ở tuổi 28 ngày.

Với mỗi loại BTXM tro bay, tiến hành thí nghiệm một tổ gồm 6 mẫu thử,

cường độ kéo uốn được xác định là giá trị đặc trưng của các mẫu thử. Mẫu thí

nghiệm được uốn theo 3 điểm đặt lực bằng cách tăng tải liên tục với tốc độ không đổi 0,6 ± 0,4 daN/cm2 / 1s trên máy kéo nén vạn năng 2000 kN.

Hình 3.14. Mô thí nghiệm hình cường độ chịu kéo uốn

Hình 3.15. Hình thí nghiệm ảnh cường độ kéo uốn

* Tính toán kết quả thí nghiệm:

Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của 4 loại BTXM tro bay (FC15;

ku = 4,5 MPa như sau:

FC20; FC25 và FC30) và bê tông đối chứng (PC); so sánh với cường độ kéo uốn thiết kế theo quy định trong tài liệu [12],[13] là Rtk

Bảng 3.13 – Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn bê tông

BTXM tro bay TT Cường độ kéo uốn BT đối chứng PC FC15 FC20 FC25 FC30

4,99 4,78 4,92 5,15 5,01

5,08 5,06 5,02 4,74 5,21

5,00 4,83 5,01 4,97 5,09 1 Kết quả thí nghiệm, MPa 4,90 4,84 5,01 4,89 5,05

5,02 5,11 4,90 4,68 5,07

5,11 4,90 4,75 4,96 5,24

(tiếp theo) Bảng 3.13 – Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn bê tông

BTXM tro bay TT Cường độ kéo uốn BT đối chứng PC FC15 FC20 FC25 FC30

5,14 4,95 4,91 4,86 5,02 2 Giá trị trung bình Rtb, MPa

0,09 0,11 0,11 0,12 0,08 3 Độ lệch chuẩn σ, MPa

4 Giá trị đặc trưng, Mpa 4,88 4,77 4,73 4,67 5,01

5 97,5 95,2 94,4 93,2 100,0

Tỷ số cường độ kéo uốn đặc trưng của bê tông FC so với bê tông PC (RFC / RPC), %

1,085 1,059 1,051 1,037 1,113

6 Tỷ số giữa cường độ kéo uốn đặc trưng thí nghiệm so với giá trị / Rtk), % thiết kế (Rtest

* Phân tích tính chất tương đồng về ý nghĩa thống kê giữa các loại bê tông

Từ kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của 4 loại BTXM tro bay FC15 ÷

FC30 (Bảng 3.13), tiến hành phân tích tính tương đồng về ý nghĩa thống kê (T-test)

giữa các nhóm kết quả thí nghiệm bằng phần mềm Minitab 17 như sau:

Phân tích ANOVA về sự khác biệt giữa các nhóm kết quả thí nghiệm Báo cáo tổng hợp

Có sự khác biệt ?

0

0.05

0.1 > 0.5

Sample

#

Sự khác biệt Từ các nhóm mẫu

Yes

No

P = 0.098

None Identified

1 2 3 4

FC30 FC25 FC20 FC15

Differences among the means are not significant (p > 0.05).

Biểu đồ so sánh sự sai khác giữa các giá trị trung bình

Comments

FC20 - FC15 FC30

FC25 - FC15

• Kiểm tra: Không có đủ bằng chứng để kết luận rằng có sự khác biệt giữa các gía trị trung bình ở mức ý nghĩa alpha = 0,05. • So sánh trên biểu đồ: các đoạn màu xanh chỉ ra rằng, các giá trị trung bình không có sự khác biệt đáng kể.

FC30 - FC15 FC25

FC25 - FC20

FC30 - FC20 FC20

FC30 - FC25

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2 FC15

Hình 3.16. Kết quả phân tích tính tương đồng giữa các loại BTXM tro bay

Kết quả phân tích nhận được cho thấy, giá trị thống kê P(F) = 0,098 lớn hơn mức ý

nghĩa α = 0,05 vì vậy giữa kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của 4 loại BTXM

tro bay (FC15, FC20, FC25 và FC30) có sự tương đồng về ý nghĩa thống kê. Sự

chênh lệch về giá trị trung bình của các nhóm kết quả thí nghiệm là không đáng kể

với xác suất 95 %.

5.02

4.95

4.91

4.86

* Phân tích cường độ kéo uốn đặc trưng theo Hình 3.17 như sau:

5

(Rtb) 4.88

4.77

4.73

4.67

Rku

4.5

4 ) a P M

3

2 ( n ố u o é k ộ đ g n ờ ư C

1

0 FC15

FC30

FC20 FC25 Loại bê tông tro bay FC

Hình 3.17. Biểu đồ phân tích cường độ kéo uốn đặc trưng BTXM tro bay

+ Cường độ kéo uốn đặc trưng BTXM tro bay có giá trị từ 4,88 ÷ 4,67 MPa

và lớn hơn so với cường độ kéo uốn thiết kế (4,5 MPa) từ 1,037 ÷ 1,113 lần. So với

bê tông đối chứng (PC) thì cường độ kéo uốn bê tông FC bằng 93,2 ÷ 97,5 %.

Tương tự như cường độ nén, cường độ kéo uốn của BTXM tro bay có thấp hơn

nhưng không nhiều so với bê tông đối chứng.

* Thiết lập quan hệ cường độ kéo uốn và cường độ nén (tuổi 28 ngày):

Tương tự như BTXM thông thường, giữa cường độ nén và cường độ kéo uốn

BTXM tro bay có quan hệ với nhau; theo ACI318 [38] được biểu diễn dưới dạng

1/2

công thức tổng quát:

(3.1) Rku = α.Rn

trong đó: Rku , Rn – tương ứng là cường độ kéo uốn và cường độ nén (MPa);

α – hệ số thực nghiệm; theo ACI318 thì α có giá trị từ 0,70 ÷ 0,75.

Với kết quả thí nghiệm thu được, thiết lập công thức quan hệ giữa Rku và Rn

điều chỉnh = 0,750 (thể hiện mối tương quan chặt chẽ) như sau:

1/2

với hệ số R2

(MPa) (3.2) Rku = 0,71 . Rn

* Tỷ số giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén của BTXM tro bay:

Tỷ số giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén (Rku/Rn) đặc trưng cho khả năng biến dạng của bê tông. Khi tỷ số này càng cao thì khả năng chống biến dạng

và dữ trữ cường độ càng lớn tức là khả năng chịu mỏi càng cao [5]. Theo ACI

211.4R [36], BTXM tro bay khi đạt được tới cường độ nén cao hơn 41,3 MPa có

khả năng chống biến dạng và dữ trữ cường độ tương đương với BTXM cùng cấp.

Với kết quả thí nghiệm thu được, xác định tỷ số giữa cường độ kéo uốn đặc

trưng và cường độ nén đặc trưng như trong bảng sau:

Bảng 3.14 – Tỷ số giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén

BTXM tro bay TT Loại bê tông BT đối chứng PC FC15 FC20 FC25 FC30

46,57 45,92 45,09 44,29 47,14

4,88 4,77 4,73 4,67 5,01

1 Cường độ nén (đặc trưng), MPa 2 Cường độ kéo uốn (đặc trưng), MPa 3 Tỷ số Rku / Rn 0,105 0,104 0,105 0,105 0,106

Từ kết quả thí nghiệm cho thấy, BTXM tro bay có tỷ số Rku/Rn = 0,104 ÷

0,105 và gần như tương đương với bê tông đối chứng không tro bay (0,106).

3.6. Thí nghiệm mô đun đàn hồi

* Phương pháp thí nghiệm:

Thí nghiệm mô đun đàn hồi được thực hiện theo ASTM C469 [39], mẫu hình

trụ có đường kính D = 150 mm và chiều cao H = 300 mm. Sau thời gian bảo dưỡng

28 ngày, mẫu được đem thí nghiệm với tốc độ gia tải lực không đổi bằng 0,241 ±

0,034 MPa/s cho đến khi đạt ứng suất thử bằng 40 % giá trị cường độ nén của bê

tông ở 28 ngày (đã được xác định ở mục 3.4.3). Với mỗi loại bê tông, tiến hành thí

nghiệm một tổ gồm 6 mẫu thử, mô đun đàn hồi được xác định là giá trị đặc trưng

của các mẫu thử.

* Kết quả thí nghiệm:

Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi của 4 loại BTXM tro bay (FC15; FC20;

FC25 và FC30) và bê tông đối chứng (PC); so sánh với giá trị theo quy định trong

tài liệu [12],[13] là Etk = 29 GPa như sau:

Bảng 3.15 – Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi bê tông

BTXM tro bay TT Mô đun đàn hồi BT đối chứng PC FC15 FC20 FC25 FC30

31,67 32,23 31,28 30,59 32,49

32,68 31,44 31,67 32,08 34,04

33,96 32,22 32,29 32,05 32,73 1 Kết quả thí nghiệm, GPa 31,60 31,30 31,89 32,53 31,70

33,24 31,38 30,83 31,55 33,29

32,61 32,99 32,02 30,82 31,81

2 Giá trị trung bình Etb, GPa 32,62 31,92 31,66 31,60 32,68

3 Độ lệch chuẩn σ, GPa 0,96 0,69 0,60 0,79 0,95

4 Giá trị đặc trưng, GPa 31,05 30,79 30,68 30,33 31,11

5 99,8 99,0 98,6 97,4 100,0 Tỷ số mô đun đàn hồi bê tông FC so với bê tông PC (EFC/EPC), %

35

32.62

31.92

31.66

31.60

(Etb) 31.05

30.79

30.68

30.33

(Eb)

30

29.0

25 ) a P G

( i

ồ h

20 n à đ

15 n u đ

10 ô M

5

0 FC15

FC30

FC25 FC20 Loại bê tông tro bay FC

Hình 3.18. Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi BTXM tro bay

* Phân tích tính tương đồng về ý nghĩa thống kê giữa kết quả thí nghiệm mô đun

đàn hồi của các loại BTXM tro bay bằng phần mềm Minitab 17:

Giá trị thống kê P(F) = 0,219 lớn hơn mức ý nghĩa (α = 0,05) vì vậy giữa các

kết quả thí nghiệm có sự tương đồng về ý nghĩa thống kê. Sự chênh lệch giá trị

trung bình của các nhóm kết quả thí nghiệm là không đáng kể với xác suất 95 %.

* Phân tích kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi:

+ Mô đun đàn hồi BTXM tro bay (EFC) có giá trị từ 30,33 ÷ 31,05 GPa và

cao hơn so với giá trị thiết kế (29 GPa) từ 1,04 ÷ 1,07 lần.

+ Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD bằng 15 ÷ 20 %, mô đun đàn hồi gần tương

đương so với bê tông đối chứng PC. Khi tỷ lệ tro bay / CKD từ 25 ÷ 30 %, mô đun

đàn hồi bê tông FC đã giảm so với bê tông PC (tương tự như với cường độ nén).

* Thiết lập quan hệ mô đun đàn hồi – cường độ nén:

Theo ACI 232 [37], mức độ ảnh hưởng của tro bay tới mô đun đàn hồi bê

tông không nhiều như tới cường độ. Trước 28 ngày thì mô đun đàn hồi của BTXM

tro bay thấp hơn so với bê tông không tro bay, tuy nhiên ở độ tuổi muộn (sau 28

ngày) thì mô đun đàn hồi của 2 loại bê tông này là xấp xỉ nhau. Điều này khẳng

định sự ảnh hưởng quan trọng của cốt liệu lớn đến mô đun đàn hồi của bê tông.

Cường độ chịu nén tăng kéo theo mô đun đàn hồi tăng. Tuy nhiên với BTXM tro

bay thì tốc độ tăng mô đun đàn hồi chậm hơn so với tốc độ tăng cường độ chịu nén.

Theo T.Noguchi [90], giữa mô đun đàn hồi (Eb) và cường độ nén có quan hệ

3/1)10/

. .( βα=

với nhau thì theo công thức tổng quát (3.3):

R n

(MPa) (3.3)

trong đó: Eb , Rn – mô đun đàn hồi và cường độ nén đặc trưng (MPa);

α – hệ số phụ thuộc vào loại cốt liệu thô, α = 1,2 (đá bazan); 1,0 (đá

quart); 0,9 (đá vôi) và 0,7 (sỏi cuội);

β – hệ số thực nghiệm.

điều chỉnh = 0,749 (tương quan chặt chẽ) như sau:

Với các kết quả thí nghiệm thu được, ứng dụng vào trong công thức (3.3) với

.20

600

(

3/1)10/

vật liệu sử dụng là đá vôi (α = 0,9), thiết lập được quan hệ giữa mô đun đàn hồi (Eb) và cường độ nén (Rn) với hệ số R2

E = b

R n

(MPa) (3.4)

trong đó: Eb , Rn – mô đun đàn hồi và cường độ nén BTXM tro bay (MPa).

3.7. Thí nghiệm độ mài mòn

* Phương pháp thí nghiệm:

Phương pháp xác định độ mài mòn được thực hiện theo TCVN 3114:1993

[18] và tham khảo tiêu chuẩn ASTM C944 [42]. Mẫu thí nghiệm có dạng hình lập

phương kích thước cạnh 70,7 cm. Sau thời gian bảo dưỡng 28 ngày, mẫu được đem thí nghiệm với áp lực gia tải không đổi 0,6 daN/cm2. Tiến hành thí nghiệm với 4

m 4

chu kỳ đĩa quay với tổng chiều dài 600 m thì dừng lại. Độ mài mòn của từng viên mẫu Mm được tính bằng g/cm2 theo công thức:

M m

0 − F

(g/cm2) (3.5)

trong đó:

m0, m4 – khối lượng mẫu trước khi thử và sau 4 chu kỳ mài (g); F – diện tích mặt mẫu (cm2).

Với mỗi loại bê tông, tiến hành thí nghiệm một tổ gồm 6 mẫu thử, độ mài

mòn của bê tông được xác định là giá trị đặc trưng các mẫu thử.

* Kết quả thí nghiệm:

Kết quả thí nghiệm độ mài mòn của 4 loại BTXM tro bay (FC15; FC20;

FC25 và FC30) và so sánh với mẫu bê tông đối chứng (PC) được trình bày như sau:

Bảng 3.16 – Kết quả thí nghiệm độ mài mòn

BTXM tro bay TT Loại bê tông BT đối chứng PC FC15 FC20 FC25 FC30

0,266 0,230 0,224 0,257 0,239

0,267 0,243 0,231 0,257 0,250

0,237 0,210 0,238 0,281 0,256 1 Kết quả thí nghiệm, g/cm2 0,251 0,236 0,247 0,264 0,261

0,232 0,227 0,253 0,263 0,245

0,233 0,247 0,231 0,284 0,251

0,248 0,232 0,237 0,268 0,250

0,014 0,015 0,012 0,011 0,009

0,224 0,207 0,217 0,250 0,236 2 Giá trị trung bình, g/cm2 3 Độ lệch chuẩn σ, g/cm2 4 Giá trị đặc trưng Mn, g/cm2

Hình 3.19. Kết quả thí nghiệm độ mài mòn BTXM tro bay

* Phân tích kết quả thí nghiệm:

+ Độ mài mòn có giá trị thấp nhất (0,207 g/cm2) ứng với các mẫu bê tông có

tỷ lệ f = 20 % và cao nhất (0,25 g/cm2) ứng với các mẫu bê tông có tỷ lệ f = 30 %.

+ Với tỷ lệ f = 15 ÷ 25 %, độ mài mòn của bê tông FC thấp hơn so với bê

tông PC. Điều này có thể được giải thích do sự chênh lệch về cường độ nén không

nhiều, trong khi đó ảnh hưởng của tro bay có kích thước hạt mịn nên làm hỗn hợp

đặc chắc hơn. Ở tỷ lệ f = 30 %, cường độ giảm nhiều đã ảnh hưởng đến khả năng

chịu mài mòn của BTXM tro bay.

3.8. Thí nghiệm độ thấm nước

* Phương pháp thí nghiệm:

Phương pháp xác định độ thấm nước (W) được thực hiện theo TCVN

3116:1993 [19]. Mẫu thử được chế bị theo TCVN 3105:1993 [15], tổ mẫu gồm 6

viên hình trụ có đường kính bằng chiều cao 150 mm. Các mẫu được thí nghiệm ở

28 ngày. Dưới áp lực thuỷ tĩnh nước có thể thấm qua những lỗ rỗng mao quản.

Thực tế nước chỉ thấm qua những lỗ rỗng có đường kính lớn hơn 1μm vì màng

nước hấp phụ trong các mao quản đã có chiều dày đến 0,5μm.

Tiến hành thí nghiệm bằng cách bơm nước tạo áp lực tăng dần từng cấp, mỗi cấp 2 daN/cm2, thời gian giữ ở mỗi cấp áp lực là 16 giờ. Tiến hành tăng áp cho đến

khi thấy trên mặt viên mẫu có xuất hiện nước thấm qua. Sau đó thử 4 trong 6 viên

còn lại. Độ thấm của bê tông được xác định bằng cấp áp lực nước tối đa mà ở đó 4

trong 6 viên mẫu thử bị nước thấm qua.

* Kết quả thí nghiệm:

Kết quả thí nghiệm độ thấm nước của 4 loại BTXM tro bay và so sánh với

mẫu bê tông đối chứng (PC) được trình bày trong Bảng 3.17.

Bảng 3.17 – Kết quả thí nghiệm độ thấm nước bê tông

BTXM tro bay TT Loại bê tông BT đối chứng PC FC15 FC20 FC25 FC30

1 Độ thấm nước ở 28 ngày (W), at. 20 22 21 18 18

1,11 1,22 1,17 1,00 1,00 2 Tỷ số WFC / WPC

Hình 3.20. Kết quả thí nghiệm độ thấm nước BTXM tro bay

* Phân tích kết quả thí nghiệm:

+ Độ chống thấm nước của bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD f = 15 ÷ 25 % cao

hơn so với bê tông đối chứng PC từ 1,11 ÷ 1,22 lần do tác dụng của hạt tro bay có

kích thước nhỏ làm tăng độ đặc chắc hỗn hợp bê tông. Bê tông 30 % tro bay không

cải thiện được khả năng chống thấm nước do lượng tro bay sử dụng nhiều, cường

độ bê tông bị suy giảm đáng kể.

+ Với bê tông làm mặt đường có chất lượng cao, khả năng chống thấm rất tốt

vì vậy khó xác định hệ số thấm với các thiết bị thử thấm có áp lực không cao. Theo nghiên cứu trong tài liệu [28] thì hệ số thấm có giá trị nhỏ hơn 6.10-11 cm/s.

3.9. Tổng hợp kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm một số các tính năng chủ yếu của BTXM tro bay được

tổng hợp trong Bảng 3.18 như sau:

Bảng 3.18 – Tổng hợp kết quả thí nghiệm BTXM tro bay

Loại BTXM tro bay

TT Chỉ tiêu FC15 FC20 FC25 FC30 BT đối chứng PC

1 Độ sụt (mm) 47,0 53,5 59,0 64,5 42,4

2 Thời gian bắt đầu đông kết (phút) 137 145 154 162 125

165 175 187 197 146

3 Thời gian kết thúc đông kết (phút) 4 Nhiệt độ tỏa ra (0C) 39,2 36,5 33,8 31,1 41,9

5 Cường độ nén 7 ngày (MPa) 35,46 34,38 33,13 32,30 38,35

6 Cường độ nén 14 ngày (MPa) 40,86 39,30 38,62 37,84 42,93

7 Cường độ nén 28 ngày (MPa) 46,57 45,92 45,09 44,29 47,14

8 Cường độ nén 56 ngày (MPa) 49,06 49,49 48,42 46,96 48,66

9 Mô đun đàn hồi (GPa) 31,05 30,79 30,68 30,33 31,11

4,88 4,77 4,73 4,67 5,01

10 Cường độ kéo uốn (MPa) 11 Độ mài mòn (g/cm2) 0,224 0,207 0,217 0,250 0,236

12 Độ thấm nước (at.) 20 22 21 18 18

3.10. Kết luận chương 3

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về tính năng cơ học của 4 loại BTXM tro

bay (FC15, FC20, FC25 và FC30 tương ứng với các tỷ lệ tro bay / CKD bằng 15 %,

20 %, 25 % và 30 %) thu được như sau:

(1). BTXM tro bay đã đáp ứng được các quy định đối với bê tông làm mặt

đường ô tô cho đường cấp III và cấp IV trở xuống về cường độ kéo uốn, mô đun

đàn hồi, độ mài mòn và độ sụt.

(2). So với BTXM thông thường không tro bay, sử dụng BTXM tro bay làm

mặt đường ô tô sẽ làm giảm khối lượng xi măng và đem lại những ưu điểm như sau:

- Giảm lượng lớn khí thải CO2 sinh ra từ công nghiệp sản xuất xi măng và tái

sử dụng lại nguồn tài nguyên (tro bay).

- Tro bay cải thiện độ sụt của hỗn hợp nhờ đó nâng cao chất lượng công tác

san rải và đầm nén mặt đường.

- Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết được kéo dài, tạo điều kiện thuận lợi

cho quá trình vận chuyển và thi công bê tông mặt đường.

- Tro bay làm giảm nhiệt thủy hóa và làm chậm thời gian đạt tới nhiệt độ lớn

nhất, giúp cho mặt đường tăng cường khả năng kháng nứt ở giai đoạn tuổi sớm.

- Khi bê tông có tro bay với tỷ lệ 15 ÷ 25 % chất kết dính đã cải thiện đáng

kể khả năng chống mài mòn đảm bảo tốc độ xe chạy; chống thấm nước giúp tăng

cường độ bền cho mặt đường.

(3). Bên cạnh những ưu điểm nêu trên thì khi sử dụng BTXM tro bay làm lớp

mặt đường ô tô có những hạn chế như sau:

- Khi sử dụng bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD từ 30 % trở lên thì cường độ

(nén, kéo uốn và mô đun đàn hồi) thấp hơn so với bê tông xi măng thông thường

không tro bay.

Chương 4

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY TRONG

KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

Trên cơ sở kết quả thí nghiệm đã thực hiện trong Chương 3, nội dung

Chương 4 nhằm phân tích khả năng ứng dụng BTXM tro bay để làm lớp mặt trên

của đường ô tô, từ đó đề xuất các phương án kết cấu áo đường phù hợp.

Ở giai đoạn tuổi sớm (72 giờ sau khi đổ bê tông), mặt đường BTXM thông

thường với hàm lượng xi măng cao sẽ có nguy cơ xảy ra nứt do nhiệt và co ngót. Sử

dụng tro bay để thay thế một phần xi măng trong bê tông có tác dụng làm giảm ứng

suất kéo, nhờ đó giảm nguy cơ xảy ra nứt trên mặt đường ô tô.

4.1. Phân tích khả năng ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô

Tải trọng ô tô và tác dụng trùng phục gây nên ứng suất kéo nguy hiểm trong

bê tông, gây ra lực xung kích bề mặt đường. Bên cạnh đó, sự thay đổi nhiệt độ và

độ ẩm của môi trường làm xuất hiện biến dạng nhiệt, biến dạng co ngót và ứng suất

trong bê tông. Để chịu được các tác động trên mà không bị phá hỏng thì BTXM tro

bay phải có đủ cường độ cần thiết, khả năng chống mài mòn và đủ độ nhám.

4.1.1. Khả năng đáp ứng về cường độ

Cường độ là đặc tính quan trọng nhất của bê tông mặt đường và được đánh

giá bằng các chỉ tiêu về cường độ chịu kéo khi uốn, chịu nén và mô đun đàn hồi.

a. Cường độ chịu kéo uốn của BTXM tro bay

Mặt đường bê tông làm việc chủ yếu là chịu uốn nên chỉ tiêu về cường độ

chịu kéo uốn của vật liệu là chỉ tiêu quan trọng nhất đảm bảo khả năng chịu lực do

tác động của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trường.

Với kết quả thí nghiệm đã thu được (Bảng 4.1), cường độ chịu kéo uốn (Rku)

của BTXM tro bay có giá trị từ 4,67 ÷ 4,88 MPa. So sánh với các quy định kỹ thuật

về thiết kế và thi công mặt đường BTXM [12],[13] thì có thể sử dụng để làm mặt

đường cấp III và cấp IV trở xuống (Rku ≥ 4,5 MPa).

b. Cường độ chịu nén của BTXM tro bay

Trong các quy định về thiết kế mặt đường BTXM không đưa yêu cầu trực

tiếp về cường độ nén. Tuy nhiên đây là chỉ tiêu quan trọng, có ảnh hưởng lớn và có

mối quan hệ chặt chẽ với cường độ chịu kéo uốn (công thức 3.1) và mô đun đàn hồi

(công thức 3.4).

Bên cạnh đó, cường độ chịu nén nhằm đảm bảo độ ổn định chống mài mòn

của mặt đường. Theo tài liệu [8], bê tông có cường độ nén lớn hơn 30 MPa sẽ đảm

bảo được điều kiện ổn định chống mài mòn trong điều kiện khai thác bình thường.

Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay (Bảng 4.1) có giá trị từ 44,29 ÷

46,57 MPa, nhờ đó mặt đường có khả năng ổn định chống mài mòn.

Bảng 4.1 – Khả năng đáp ứng về cường độ

BTXM tro bay, f (%) Yêu cầu TT Chỉ tiêu Bê tông PC 15 20 25 30

46,57 45,92 45,09 44,29

47,14

1 Cường độ kéo uốn (MPa) 4,88 4,77 4,73 4,67 5,01

2 Cường độ nén (Mpa)

3 Mô đun đàn hồi (GPa) 31,05 30,8 30,7 30,33 31,11 ≥ 4,5 (1) ≥ 4,0 (2) ≥ 36 (1) ≥ 30 (2) ≥ 29 (1) ≥ 27 (2)

4 Đánh giá Đáp ứng yêu cầu

(1) Đường cấp III

(2) Đường cấp IV, V, VI

Ghi chú:

c. Mô đun đàn hồi của BTXM tro bay

Mô đun đàn hồi là một đặc tính quan trọng, biểu hiện trực tiếp về độ cứng

của kết cấu mặt đường BTXM. Mô đun đàn hồi càng lớn thì độ cứng của mặt đường

càng cao và càng ít bị biến dạng. Trong quy định thiết kế mặt đường BTXM [12],

mô đun đàn hồi được sử dụng trực tiếp trong tính ứng suất kéo uốn do tác dụng của

tải trọng trục đơn thiết kế và ứng suất kéo uốn do gradient nhiệt độ gây ra.

Mô đun đàn hồi của BTXM tro bay chịu ảnh hưởng bởi các thành phần vật

liệu và tỷ lệ phối hợp thành phần vật liệu. Trong đó tính chất của cốt liệu thô có ảnh

hưởng rất lớn đến mô đun đàn hồi. Cốt liệu thô có mô đun đàn hồi lớn thì mô đun

đàn hồi của BTXM tro bay càng cao. Hình dạng và bề mặt của cốt liệu lớn cũng có

ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi. Khi tỷ lệ N/X giảm thì mô đun đàn hồi tăng; bê tông

càng đặc chắc thì mô đun đàn hồi càng lớn. Do đó nếu so sánh cùng cấp độ cường

độ nén, thì BTXM tro bay cho giá trị mô đun đàn hồi cao hơn so với bê tông thông

thường bởi vì thành phần hạt tro bay mịn hơn làm tăng độ đặc chắc của hỗn hợp.

Theo kết quả thí nghiệm (Bảng 4.1), mô đun đàn hồi của BTXM tro bay có

giá trị từ 30,33 ÷ 31,05 GPa, lớn hơn so với giá trị yêu cầu được nêu trong quy định

thiết kế [12] là 29,0 GPa.

4.1.2. Độ mài mòn mặt đường BTXM tro bay

Một trong những yêu cầu quan trọng đối với bê tông mặt đường ô tô là phải

có khả năng chịu mài mòn cao dưới tác dụng trực tiếp của bánh xe.

Kết quả thí nghiệm (Bảng 4.2) cho thấy, độ mài mòn của BTXM với hàm lượng 15 ÷ 30 % tro bay có giá trị từ 0,207 ÷ 0,250 g/cm2, lớn hơn giá trị yêu cầu

theo quy định [13]; với tỷ lệ tro bay / CKD là 20 % thì khả năng chịu mài mòn tốt

nhất. Như vậy BTXM tro bay đáp ứng được khả năng chịu mài mòn cho tất cả các

cấp đường.

Bảng 4.2 – Độ mài mòn mặt đường BTXM tro bay

BTXM tro bay, f (%) Yêu cầu TT Chỉ tiêu Bê tông PC 15 20 25 30

0,224 0,207 0,217 0,250 0,236 1 Độ mài mòn, Mm (g/cm2)

2 Đánh giá Đạt yêu cầu ≤ 0,3 (1) ≤ 0,6 (2)

(1) Đường cấp III

(2) Đường cấp IV, V, VI

Ghi chú:

4.1.3. Khả năng chống thấm nước của BTXM tro bay

Trong các quy định kỹ thuật về thiết kế [12], thi công mặt đường BTXM [13]

hiện nay chưa đưa ra yêu cầu về độ chống thấm nước. Tuy nhiên đây là một trong

những yêu cầu cần thiết nhằm đảm bảo tính ổn định và bền vững cho công trình.

Theo kết quả thí nghiệm (Bảng 4.3) cho thấy, bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD

từ 15 ÷ 30 % có độ thấm từ 18 ÷ 22 at. là tương đương hoặc tốt hơn so với bê tông

thông thường không dùng tro bay (W = 18 at.).

Bảng 4.3 – Khả năng chống thấm nước

BTXM tro bay, f (%) TT Chỉ tiêu Bê tông đối chứng PC 15 20 25 30

1 Độ thấm nước, W (at.) 20 22 21 18 18

1,00 2 Tỷ số WFC / WPC 1,11 1,22 1,17 1,00

3 So sánh Tương đương hoặc cao hơn bê tông PC

Như vậy, tro bay đã cải thiện đáng kể độ chống thấm nước cho bê tông. Tro

bay có tác dụng làm giảm đáng kể tính không đồng nhất trong cấu trúc vi mô của hồ

xi măng, đặc biệt làm giảm các lỗ rỗng và các tinh thể kết tinh ở vùng chuyển tiếp.

Các phản ứng puzolan tạo ra các sản phẩm hydrat hóa kết tinh trong khu vực

chuyển tiếp do đó làm giảm các liên kết yếu trong cấu trúc vi mô của bê tông tạo ra

loại bê tông có tính bền hơn với môi trường.

4.1.4. Tính công tác của hỗn hợp BTXM tro bay

4.1.4.1. Độ sụt hỗn hợp BTXM tro bay

Thi công mặt đường BTXM không yêu cầu độ sụt cao nhưng mặt đường

BTXM sẽ đạt chất lượng tốt hơn nếu trong thi công hỗn hợp bê tông được đầm nén

đến độ chặt lớn nhất. Muốn vậy, hỗn hợp lúc thi công phải có độ linh động phù hợp

với khả năng đầm chặt của thiết bị đầm nén theo công nghệ thi công (Bảng 4.4).

Bảng 4.4 – Độ sụt bê tông mặt đường ô tô

BTXM tro bay, f (%) Bê tông TT Chỉ tiêu Độ sụt yêu cầu PC 15 20 25 30

1 Độ sụt 0 phút, SN (mm) 47,0 53,5 59,0 64,5 42,4

(1) Công nghệ ván khuôn trượt; (2) Công nghệ thi công đơn giản [13] (3) Công nghệ thi công máy rải trên ray trong khuôn cố định [1]

24,3 33,9 42,5 50,1 16,4 2 Độ sụt sau 60 phút (mm) 10 ÷ 20 (1) 20 ÷ 40 (2) 40 ÷ 60 (3) 20 ÷ 40 (3)

Với kết quả thí nghiệm trên, độ sụt BTXM tro bay từ 47,0 ÷ 64,5 mm đã đáp

ứng được với tất cả các loại công nghệ thi công như đã nêu Bảng 4.4.

Hàm lượng tro bay càng lớn thì độ sụt càng cao, cứ thêm 5 % tro bay thì độ

sụt tăng thêm trung bình 5,5 mm. Bên cạnh đó, BTXM tro bay có độ sụt duy trì ổn

định, tổn thất độ sụt theo thời gian giảm so với bê tông không tro bay. Sau 60 phút,

độ sụt BTXM tro bay vẫn đạt được từ 24,3 ÷ 50,1 mm, điều này giúp cho quá trình

san rải hỗn hợp tạo ra được sự đồng nhất cao, đáp ứng được yêu cầu khi thi công

máy rải trên ray trong khuôn cố định (20 ÷ 40 mm). Trong khi đó, độ sụt của bê

tông PC không đạt được yêu cầu (16,4 mm).

4.1.4.2. Thời gian đông kết chất kết dính

Thời gian đông kết chất kết dính có ý nghĩa rất quan trọng trong thi công mặt

đường ô tô. Với kết quả thí nghiệm (Bảng 4.5), thời gian đông kết của chất kết dính

xi măng tro bay đảm bảo yêu cầu thi công và kéo dài hơn so với chất kết dính chỉ có

xi măng. Do đó cho phép kéo dài thêm thời gian vận chuyển, san rải bê tông ngay

cả trong điều kiện nhiệt độ thường xuyên ở mức cao của nước ta.

Theo quy định [13], thời gian dài nhất cho phép từ khi bê tông ra khỏi buồng

trộn đến khi rải xong phụ thuộc vào công nghệ rải và nhiệt độ không khí. Đặc biệt

vào mùa nóng, nhiệt độ không khí trung bình trong khoảng 30 ÷ 35 0C, khả năng bê

tông bị mất nước do bay hơi là rất lớn nên yêu cầu thời gian vận chuyển tối đa 0,5 ÷

0,75 giờ và đến khi rải xong là 1,0 ÷ 1,25 giờ [13]. Nếu các trạm trộn bê tông ở xa

công trường thi công thì việc vận chuyển bê tông đảm bảo đến đúng thời gian quy

định là rất khó khăn.

Bảng 4.5 – Thời gian đông kết chất kết dính

Xi măng – tro bay, f (%) TT Chỉ tiêu Thời gian yêu cầu [13] Xi măng 15 20 25 30

1 Thời gian bắt đầu (phút) 125 ≥ 90 137 145 154 162

146 ≤ 600 2 Thời gian kết thúc (phút) 165 175 187 197

Đáp ứng yêu cầu và tốt hơn so với bê tông PC 3 Đánh giá

4.1.5. Phân tích hiệu quả kinh tế - môi trường

Để phân tích hiệu quả kinh tế - môi trường mặt đường BTXM tro bay, giả

định tuyến đường cấp III có chiều rộng mặt đường B = 7,0 m; chiều dài L = 1 km, chiều dày trung bình h = 0,25 m. Thể tích bê tông cần dùng V = 1.750 m3.

Căn cứ vào công thức thiết kế thành phần vật liệu cho 1 m3 của các loại bê

tông (Bảng 2.29), tính khối lượng vật liệu cho 1 km đường như sau:

Bảng 4.6 – Bảng khối lượng vật liệu cho 1 km đường

BTXM tro bay, f (%) TT Vật liệu Bê tông PC 15 20 25 30

1 Xi măng (tấn) 700 683 665 768 649

2 Tro bay (tấn) 128 172 222 0 278

3 Cốt liệu nhỏ (tấn) 1227 1197 1162 1118 1297

1936 1936 1936 1936 1936

301 301 301 301 301 4 Cốt liệu lớn (tấn) 5 Nước (m3)

a. Phân tích hiệu quả môi trường

Theo Hiệp hội tro bay Mỹ ACAA [47], công nghiệp sản xuất 1 tấn xi măng

sẽ thải ra môi trường 1 tấn CO2. Căn cứ vào khối lượng xi măng sử dụng, tính lượng

khí CO2 thải ra như trong Bảng 4.7 và biểu đồ Hình 4.1.

Bảng 4.7 – Bảng lượng khí CO2 thải ra do sản xuất xi măng

BTXM tro bay, f (%) TT Chỉ tiêu Bê tông PC 15 20 25 30

1 Xi măng (tấn) 700,0 682,5 665,0 649,3 768,3

2COm (tấn)

−

700,0 682,5 665,0 649,3 768,3 2 Khí CO2 sinh ra,

(

)

(

)

, (tấn) - 68,3 - 85,8 - 103,3 - 119,0 3 Hiệu số 0

(

)

(

)

, (%) 91,1 88,8 86,6 84,5 100 4 Tỷ lệ

Như vậy cứ 1 km đường nếu sử dụng BTXM tro bay sẽ giảm được từ 68, 3 ÷

119 tấn CO2 so với BTXM thông thường, tương đương giảm được từ 8,9 ÷ 15,5 %

100

lượng khí CO2 thải ra môi trường. Đồng thời đã tái sử dụng lại từ 128 ÷ 278 tấn tro

bay từ nguồn từ tài nguyên than đá.

Hình 4.1. Biểu đồ lượng khí CO2 thải ra môi trường

b. Phân tích hiệu quả kinh tế

Phân tích với các yếu tố về công nghệ thi công, máy móc nhân lực, quản lý

là như nhau, chỉ tiến hành đánh giá về mặt giá thành vật liệu với đơn giá tại khu vực

Hà Nội ở thời điểm quý II năm 2016 thu được kết quả như Bảng 4.8.

Bảng 4.8 – Bảng giá thành vật liệu BTXM tro bay (triệu đồng)

BTXM tro bay, f (%) TT Vật liệu Đơn giá Bê tông PC 15 20 25 30

1 Xi măng (tấn) 1,500 1.050 1.024 998 974 1.152

2 Tro bay (tấn) 0,700 89 120 156 195 0

3 Cốt liệu nhỏ (tấn) 0,232 196 191 186 179 207

0,246 297 297 297 297 297

4 Cốt liệu lớn (tấn) 5 Nước (m3) 0,01 3 3 3 3 3

Tổng cộng 1.638 1.639 1.639 1.640 1.660

Theo Bảng 4.8, tuy khối lượng xi măng giảm đi nhưng đồng thời khối lượng

tro bay tăng lên. Vì vậy, giá thành vật liệu bê tông của 4 loại BTXM tro bay là gần

như nhau và tương đương với BTXM thông thường.

4.1.6. Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường

Như trên đã phân tích, lợi ích chính của việc sử dụng tro bay trong bê tông là

101

cải thiện tính công tác, khả năng chống thấm nước, giảm khối lượng xi măng và

giảm khí thải CO2 so với bê tông xi măng thông thường.

Bên cạnh đó, bằng việc lựa chọn thành phần vật liệu phù hợp, từ kết quả thí

nghiệm cho thấy BTXM tro bay hoàn toàn có khả năng đáp ứng các yêu cầu để làm

lớp mặt đường ô tô. Tùy theo cấp đường và theo cấp quy mô giao thông (nặng,

trung bình và nhẹ), đề xuất áp dụng các loại BTXM tro bay như trong Bảng 4.9.

Bảng 4.9 – Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường

BTXM tro bay, f (%) TT Chỉ tiêu Đáp ứng yêu cầu 15 20 25 30

1 Độ sụt, mm 47,0 53,5 59,0 64,5 ≥ (20÷60)

165

175

187

197

137 145 154 162 2 (90÷600)

46,57

45,92 45,09

44,29

độ nén, 3

31,05 30,79 30,68 30,33 4

4,88 4,77 4,73 4,67 5 Thời gian bắt đầu đông kết, phút Thời gian kết thúc đông kết, phút Cường MPa Mô đun đàn hồi, GPa Cường độ kéo uốn, MPa

6 Độ mài mòn, g/cm2 0,224 0,207 0,217 0,250

≥ 36 (1) ≥ 30 (2) ≥ 29 (1) ≥ 27 (2) ≥ 4,5 (1) ≥ 4,0 (2) ≤ 0,3 (1) ≤ 0,6 (2) - - 20 39,2 22 36,5 21 33,8 18 31,1 7 Độ thấm nước, at. 8 Nhiệt độ tỏa ra, 0C

9 Kiến nghị sử dụng Cấp III, quy mô nặng Cấp IV - trung bình; Cấp V,VI - nhẹ

(1) Đường cấp III

(2) Đường cấp IV, V, VI

Cấp III, IV, quy mô trung bình Ghi chú:

4.2. Đề xuất các dạng kết cấu áo đường BTXM tro bay

Căn cứ vào đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường (Bảng

4.9), tiến hành tính toán thiết kế các dạng kết cấu áo đường như sau:

4.2.1. Các số liệu phục vụ thiết kế

4.2.1.1. Cấp thiết kế

102

Giả định tuyến đường thiết kế làm mới thuộc khu vực phía Bắc là nơi gần

với các nguồn vật liệu được sử dụng để nghiên cứu và thí nghiệm; quy mô giao

thông cho các cấp đường theo quy định thiết kế [12] (Bảng 4.10). Tải trọng trục tiêu

chuẩn Ps = 100 kN; tải trọng trục lớn nhất Pmax = 180 kN (quy mô giao thông cấp

nặng) và Pmax = 150 kN (cấp trung bình và nhẹ). Gradien nhiệt độ lớn nhất Tg = 86 0C/m. Nền đất á sét nhẹ có mô đun đàn hồi điển hình bằng 40 MPa.

Bảng 4.10 – Quy mô giao thông

Số trục xe tiêu chuẩn tích lũy Ne (lần / làn) TT Cấp quy mô giao thông Cấp IV,V,VI

1 Nặng

2 Trung bình Cấp III 106 ÷ 20.106 3.104 ÷ 106

3 Nhẹ - - 3.104 ÷ 106 < 3.104

4.2.1.2. Dự kiến các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay

(a). Quy mô giao thông trung bình và nặng (b). Đường có quy mô giao thông nhẹ

Hình 4.2. Mô hình kết cấu áo đường BTXM tro bay

Theo quy định [12], mô hình kết cấu áo đường gồm 3 lớp (Hình 4.2). Trong đó:

+ Lớp mặt trên bằng BTXM tro bay có tỷ lệ từ 15 ÷ 30% với các tính chất cơ

học đã được thí nghiệm (Bảng 4.9).

+ Lớp móng trên bằng vật liệu cấp phối đá dăm gia cố xi măng có khả năng

chống xói, có độ cứng thích hợp, chiều dày 200 mm, mô đun đàn hồi bằng 1300

MPa, hệ số Poisson μc = 0,20; lớp ngăn cách láng nhựa dày tối thiểu 10 mm hoặc

103

dùng màng chống thấm tối thiểu 0,20 l/m2.

+ Lớp móng dưới bằng vật liệu cấp phối đá dăm loại II có chiều dày 180

mm, mô đun đàn hồi bằng 300 MPa hệ số Poisson μc = 0,35. Với quy quy mô giao

thông nhẹ thì có thể chỉ cần dùng lớp cấp phối đá dăm trực tiếp trên nền đất [12].

4.2.1.3. Kiểm toán trạng thái làm việc kết cấu mặt đường BTXM tro bay

Mặt đường BTXM nói chung và BTXM tro bay nói riêng thuộc loại mặt

đường cứng, tầng mặt có độ cứng lớn hơn nhiều so với tầng móng và nền đất

[5],[29]. Dưới tác dụng của tải trọng và gradient nhiệt độ, tấm bê tông làm việc ở

trạng thái chịu uốn và ở vị trí bất lợi nhất thường ở thớ dưới tại giữa cạnh dọc tấm

(về mùa nóng khi có chênh lệch nhiệt độ lớn nhất giữa mặt trên và mặt dưới tấm).

Kết cấu tấm mặt đường làm việc theo hai trường hợp. Trường hợp 1, tấm đặt

trên lớp móng trên bằng cấp phối đá dăm gia cố xi măng theo mô hình tấm hai lớp

tách rời trên nền đàn hồi nhiều lớp. Trường hợp 2, tấm đặt trên lớp móng trên bằng

cấp phối đá dăm theo mô hình tấm một lớp tách rời trên nền đàn hồi nhiều lớp.

Theo quy định thiết kế QĐ3230 [12], kết cấu áo đường BTXM thông thường

có khe nối được kiểm toán theo hai trạng thái giới hạn:

+ Dưới tác dụng tổng hợp của tải trọng xe chạy trùng phục và tác dụng lặp đi

lặp lại của sự biến đổi gradien nhiệt độ giữa mặt và đáy tấm BTXM, suốt trong thời

hạn phục vụ, tầng mặt BTXM không bị phá hoại (không bị nứt vỡ) do mỏi.

trọng trục xe lớn nhất đúng vào lúc xuất hiện gradien nhiệt độ lớn nhất.

+ Tầng mặt BTXM không bị nứt vỡ dưới tác dụng tổng hợp của một tải

[σm] = γr .(σpr + σtr) ≤ Rku

[σp,t_max] = γr .(σ pmax + σ t max) ≤ Rku (4.1)

trong đó: [σm] – ứng suất kéo uốn gây mỏi do tác dụng của trục xe tiêu chuẩn (σpr)

và do gradien nhiệt độ (σtr) gây ra (gọi tắt là ứng suất gây mỏi), MPa;

[σp,t_max] – ứng suất kéo uốn do tải trọng trục xe nặng nhất (σpmax) và do

gradien nhiệt độ lớn nhất (σtmax) gây ra (gọi tắt là ứng suất max), MPa;

Rku – cường độ kéo uốn thiết kế của BTXM, MPa;

γr – hệ số độ tin cậy theo cấp hạng đường.

104

Nội dung thiết kế mặt đường BTXM tro bay được thực hiện như với mặt

đường BTXM thông thường theo quy định kỹ thuật QĐ3230 [12] và được tóm tắt

theo sơ đồ Hình 4.3 dưới đây. Chi tiết kết quả thiết kế các dạng kết cấu mặt đường

được trình bày tại Phụ lục 5.

Hình 4.3. Sơ đồ khối tính toán, thiết kế mặt đường BTXM

4.2.3. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp nặng

- Đường cấp III có quy mô giao thông cấp nặng; số trục xe tiêu chuẩn tích lũy lớn nhất Ne = 20.106 lần / làn; tải trọng trục lớn nhất Pmax = 180 kN.

- Sử dụng bê tông 15 % tro bay với các thông số trong Bảng 4.9 để thiết kế.

105

Bảng 4.11 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay

(đường cấp III – quy mô giao thông cấp nặng)

Bê tông 15% tro bay, chiều dài tấm L (mm) TT Chỉ tiêu

4.500 4.750 5.000

240 242 244 1 Chiều dày tấm, hc (mm)

4,88 4,88 4,88 2 Cường độ kéo uốn, Rku (MPa)

4,81 4,82 4,83

4,08 4,13 4,18

Đạt Đạt Đạt 3 Ứng suất gây mỏi [σm] (MPa) 4 Ứng suất max [σp,t_max] (MPa) 5 Điều kiện kiểm toán [σm], [σp,t_max] < Rku

Kết quả tính toán nhận được, với tấm bê tông 15% tro bay, chiều dày tấm có

giá trị từ 240 ÷ 244 mm.

4.2.4. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp trung bình

- Đường cấp III, IV có quy mô giao thông cấp trung bình; số trục xe tiêu chuẩn tích lũy lớn nhất Ne = 1.106 lần / làn; tải trọng trục Pmax = 150 kN.

- Sử dụng bê tông 15 ÷ 30 % tro bay với các thông số trong Bảng 4.9 để thiết kế.

Bảng 4.12 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay (đường cấp III, IV – quy mô giao thông cấp trung bình)

Chiều dài tấm L (mm) Chiều dài tấm L (mm) TT Chỉ tiêu 4.500 4.750 5.000 4.500 4.750 5.000

Loại bê tông Bê tông 15% tro bay Bê tông 20% tro bay

1 Chiều dày tấm, hc (mm) 216 218 220 218 220 222

2 4,88 4,88 4,88 4,77 4,77 4,77 Cường độ kéo uốn, Rku (MPa)

3 4,79 4,80 4,81 4,72 4,73 4,74 Ứng suất gây mỏi [σm] (MPa)

4 4,19 4,23 4,27 4,13 4,17 4,21 Ứng suất max [σp,t_max] (MPa)

Điều kiện kiểm toán 5 Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt [σm], [σp,t_max] < Rku

106

(tiếp theo) Bảng 4.12 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay (đường cấp III, IV – quy mô giao thông cấp trung bình)

Chiều dài tấm L (mm) Chiều dài tấm L (mm) TT Chỉ tiêu 4.500 4.750 5.000

4.500 5.000 4.750 Bê tông 30% tro bay Loại bê tông Bê tông 25% tro bay

1 Chiều dày tấm, hc (mm) 220 222 224 222 224 226

2 4,73 4,73 4,73 4,67 4,67 4,67

3 4,66 4,67 4,68 4,59 4,60 4,61

4 4,07 4,12 4,15 4,01 4,05 4,09

5 Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Cường độ kéo uốn, Rku (MPa) Ứng suất gây mỏi [σm] (MPa) Ứng suất max [σp,t_max] (MPa) Điều kiện kiểm toán [σm], [σp,t_max] < Rku

Kết quả tính toán nhận được, với bê tông 15 % tro bay thì hc = 216 ÷ 220

mm; bê tông 20 % tro bay thì hc = 218 ÷ 222 mm; bê tông 25 % tro bay thì hc = 220

÷ 224 mm và bê tông 30 % tro bay thì hc = 222 ÷ 226 mm.

4.2.5. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp nhẹ

lần / làn; tải trọng trục Pmax = 150 kN.

- Đường cấp V, VI có quy mô giao thông nhẹ; số trục xe tiêu chuẩn tích lũy lớn nhất Ne ≤ 3.104

- Sử dụng bê tông 30 % tro bay với các thông số trong Bảng 4.9 để thiết kế.

Bảng 4.13 – Bảng phân tích kết quả tính kết cấu áo đường BTXM tro bay (đường cấp V, VI – quy mô giao thông cấp nhẹ)

Bê tông 30% tro bay, chiều dài tấm L (mm) TT Chỉ tiêu

4.500 4.750 5.000

200 202 204 1 Chiều dày tấm, hc (mm)

2 Cường độ kéo uốn, Rku (MPa) 4,67 4,67 4,67

4,52 4,51 4,50

4,58 4,60 4,62

3 Ứng suất gây mỏi [σm] (MPa) 4 Ứng suất max [σp,t_max] (MPa) 5 Điều kiện kiểm toán [σm], [σp,t_max] < Rku Đạt Đạt Đạt

107

Kết quả tính toán nhận được, với bê tông 30% tro bay thì chiều dày tấm

BTTB có giá trị từ 200 ÷ 204 mm.

4.2.6. Tổng hợp các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay

Theo quy định kỹ thuật QĐ3230 [12], để dự phòng mài mòn thì lớp mặt cần

tăng dầy thêm 6,0 mm so với chiều dày đã tính toán. Vì vậy kết cấu áo đường

BTXM tro bay được tổng hợp lại như trong Bảng 4.14 và Hình 4.4 (sau khi làm tròn

đến đơn vị centimet) như sau:

Bảng 4.14 – Tổng hợp kết quả thiết kế chiều dày tấm BTXM tro bay (cm)

Chiều dài tấm (m) TT Cấp thiết kế Loại BTXM tro bay 4,5 4,75 5,0

1 Cấp III – quy mô cấp nặng FC15 25 25 25

FC15 22 22 22

FC20 23 23 23 2 Cấp III, IV – quy mô giao thông cấp trung bình FC25 23 23 23

FC30 24 24 24

3 Cấp V, VI – quy mô cấp nhẹ FC30 21 21 21

Hình 4.4. Kết quả thiết kế kết cấu áo đường BTXM tro bay

4.3. Cường độ và ứng suất mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm 4.3.1. Đặt vấn đề

Mặt đường BTXM trong quá trình đóng rắn và phát triển cường độ, phản

ứng thuỷ hoá xi măng toả ra một lượng nhiệt lớn. Bên cạnh đó vào mùa nóng, nhiệt

108

độ không khí ở mức cao, sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm lớn;

độ ẩm thấp, gió mạnh và diện tích bề mặt đường rộng làm cho quá trình bốc hơi

nước diễn ra nhanh. Sự thay đổi nhiệt độ và tốc độ bay hơi nước trên bề mặt là

nguyên nhân chính gây ra ứng suất trong bê tông ở trạng thái dẻo và giai đoạn đầu

của quá trình đóng rắn. Theo McCullough [82], giai đoạn này được gọi là giai đoạn

Giai đoạn tuổi sớm

Giai đoạn tới hạn

Dẻo

Chuyển tiếp

Đóng rắn

tuổi sớm của bê tông (Hình 4.5) và sự phát triển nhiệt độ được mô tả ở Hình 4.6.

n ắ r g n ó đ ộ đ c ứ M

Hình 4.5. Giai

c ú h t t ế K

t ế k g n ô đ

Mất tính công tác

đoạn tuổi sớm

u ầ đ t ắ B

t ế k g n ô đ

0 Đóng rắn 72giờ Thời gian

Tăng nhiệt

Thời gian đông kết

Giảm nhiệt

g n ô t ê b m ấ t ộ đ t ệ i h N

Thời điểm đổ bê tông

Đóng rắn 72giờ Thời gian

của bê tông

Hình 4.6. Sự phát triển nhiệt độ bê tông ở giai đoạn tuổi sớm

Giai đoạn tuổi sớm của bê tông được định nghĩa là khoảng thời gian trong vòng 72 giờ sau khi đổ bê tông [82]. Trong giai đoạn này bê tông có cường độ còn thấp, do đó các ứng suất kéo có khả năng gây biến dạng kết cấu và tạo ra các vết nứt bên trong cũng như trên bề mặt đường.

Để mặt đường BTXM sớm đạt được cường độ cao, người thiết kế thường sử dụng xi măng cường độ cao, tỷ N/X thấp (khối lượng xi măng tăng). Điều này có

109

nguy cơ dẫn đến hiện tượng co ngót dẻo, co ngót khô, mô đun đàn hồi cao và hệ số từ biến thấp, do đó mặt đường có xu hướng nứt nhiều hơn. Vì vậy bê tông có cường độ ở giai đoạn tuổi sớm càng cao thì sẽ càng dễ bị nứt.

Với kết quả thí nghiệm của đề tài về sự phát triển cường độ nén (Bảng 4.15) cho thấy, sự phát triển cường độ ở giai đoạn tuổi sớm của BTXM tro bay thấp hơn so với bê tông xi măng pooc lăng thông thường. Ở 7 ngày BTXM tro bay đạt được cường độ tương ứng là 72,93 ÷ 76,16% và ở 14 ngày là 85,45 ÷ 87,74% so với ngày thứ 28. Trong khi đó với bê tông xi măng pooc lăng thông thường là 81,36% và 91,09% so với ngày thứ 28. Như vậy tốc độ phát triển cường độ BTXM tro bay chậm hơn so với bê tông xi măng thông thường, nhờ đó mặt đường BTXM tro bay ít có khả năng nứt trong thời gian trước 28 ngày so với bê tông thông thường.

Bảng 4.15 – Kết quả thí nghiệm sự phát triển cường độ nén bê tông

Tỷ lệ phát triển cường độ nén bê tông (so với cường độ nén 28 ngày tuổi) (%) TT Loại bê tông 7 ngày 14 ngày 28 ngày 56 ngày

72,93÷76,16 85,45÷87,74 100,00 105,34÷107,76 1 Bê tông 15 ÷ 30% tro bay

81,36 91,09 100,00 103,23 2 Bê tông không tro bay, PC

Theo báo cáo của Chương trình hợp tác nghiên cứu đường cao tốc Mỹ (NCHRP-749) [35], mặt đường bằng bê tông cường độ cao nếu sử dụng với lượng xi măng nhiều hơn 400 kg/m3 thì thường có nguy cơ bị nứt. Do đó, với yêu cầu về độ bền thì cần phải xem xét cân đối thích hợp giữa hàm lượng xi măng không quá thấp hoặc quá cao. Điều này được giải quyết bằng việc sử dụng phụ gia khoáng tro bay (như mục tiêu nghiên cứu của đề tài).

Tro bay có ảnh hưởng đến ứng suất trong bê tông và khả năng kháng nứt mặt đường ở giai đoạn tuổi sớm. Vì vậy, việc xác định ứng suất và cường độ bê tông ở giai đoạn tuổi sớm cần được quan tâm đúng mức nhằm đánh giá và đưa ra các biện pháp xử lý thích hợp.

4.3.2. Cường độ của BTXM trong giai đoạn tuổi sớm

Ở giai đoạn tuổi sớm (trong vòng 72 giờ sau khi đổ bê tông), cường độ bê

tông mới hình thành và còn thấp vì vậy rất khó để tiến hành thí nghiệm trên các

mẫu. Vì vậy theo McCullough [82], cường độ ở giai đoạn tuổi sớm được xác định

dựa trên mức độ thủy hóa xi măng ở thời điểm t (giờ) so với mức độ thủy hóa ở 28

110

ngày theo công thức như sau:

t )(

)28(

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

⎛ ψψ − t gh ⎜ ⎜ ψψ − ⎝ 28

(4.2)

trong đó: R(t) – cường độ chịu kéo bê tông tại thời điểm t (giờ) (MPa);

R(28) – cường độ chịu kéo bê tông ở 28 ngày (MPa);

Ψt – mức độ thủy hóa tại thời điểm t (giờ) sau khi đổ;

Ψ28 – mức độ thủy hóa ở 28 ngày;

Ψgh – mức độ thủy hóa giới hạn, được xác định Ψgh = 0,43 × (N / X);

N / X – Tỷ lệ nước / xi măng.

−

)

κτλψ (ln1e −=

Mức độ thủy hóa tại thời điểm t (giờ) được tính theo công thức sau:

1 +=

(4.3)

te t 1

⎞ ⎟⎟ ; ⎠

⎛ ⎜⎜ ⎝

trong đó: τ – tham số tuổi bê tông,

λ1, κ, t1 – các tham số quá trình thủy hóa được lấy theo Bảng 4.16;

)

−

Φ ( TR

1 273 +

T r

. et

te – tuổi quy đổi tương đương (giờ) được tính theo công thức:

∑

(4.4)

Φ – năng lượng hoạt hóa (J / mol);

t , Δt – tương ứng là thời gian và bước thời gian (giờ);

R – hằng số khí phổ, bằng 8.314 J / mol / °C;

T , Tr – nhiệt độ ban đầu hỗn hợp và nhiệt độ tiêu chuẩn (bằng 20 °C).

Bảng 4.16 – Bảng tham số quá trình thủy hóa

TT Loại xi măng

1 Loại I Tổng nhiệt thủy hóa, Hu (J / g) 460 Năng lượng hoạt hóa, Φ (J / mol) 41750 Hệ số thủy hóa t1 λ1 κ 0,85 2,12 2,42

2 Loại IP 410 41715 2,42 2,12 0,85

3 Loại II 406 39050 3,16 2,06 1,07

4 Loại III 468 44150 3,52 1,10 0,97

111

4.3.3. Ứng suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm

Trong giai đoạn tuổi sớm, khi mặt đường chưa chịu tác dụng của tải trọng xe

chạy thì sự thay đổi nhiệt độ là nguyên nhân phát sinh ứng suất uốn vồng và ứng

suất kéo dọc trục (gồm ứng suất do nhiệt thủy hóa và co ngót).

4.3.3.1. Ứng suất uốn vồng

Ứng suất uốn vồng (σcurl) xảy ra do chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt

dưới của tấm bê tông, tùy thuộc vào biên độ dao động nhiệt: ban ngày nhiệt độ mặt

trên cao hơn mặt dưới tấm khiến cho tấm bị vồng lên và ngược lại vào ban đêm thì

tấm có xu hướng bị võng xuống (Hình 4.7). Do ảnh hưởng của ma sát đáy tấm và

mối nối gây ra cản trở chuyển vị tự do của tấm, làm phát sinh ứng suất: về ban ngày

L/2

thì thớ mặt chịu ứng suất nén; thớ đáy ứng suất kéo và ngược lại vào ban đêm.

a. Biến dạng uốn vồng tấm b. Biến dạng uốn võng tấm

Hình 4.7. Biến dạng uốn của tấm bê tông

C (

)

C μ

- Theo Bradbury’s [82], ứng suất σcurl được xác định theo công thức:

curl

ET . . ∇ α b c 2 1(2 ) − μ

(4.5)

trong đó: σcurl , Eb – ứng suất uốn vồng và mô đun đàn hồi bê tông (MPa);

∇T – chênh lệch nhiệt độ mặt trên và mặt dưới tấm BTXM (°C);

μ – hệ số Poisson;

Cx, Cy – các hệ số tỷ lệ thay đổi theo chiều dài tấm (L), chiều rộng tấm (B)

và bán kính độ cứng tương đối (l) của tấm;

αc – hệ số giãn nở nhiệt bê tông (με / °C), được xác định theo công thức:

α c

cat

vua

V vua V b

V da V b

V cat V b

⎡ α ⎢ da ⎣

⎤ ⎥ ⎦

(4.6)

Cm – hệ số tương quan giữa αc và độ ẩm;

112

αda ; αcat ; αvua – hệ số giãn nở nhiệt của đá, cát và vữa xi măng (με / °C);

Vda ; Vcat ; Vvua – thể tích của đá, cát và vữa xi măng trong một đơn vị thể

tích bê tông (Vb) (m3).

4.3.3.2. Ứng suất kéo dọc trục

Biến dạng dọc trục của tấm bê tông bao gồm biến dạng dọc trục do nhiệt

thủy hóa và do co ngót dẻo.

Theo Mehta [84], một trong những bất lợi lớn nhất của bê tông xi măng poóc

lăng đó là hiện tượng nứt do co ngót. Co ngót của bê tông chịu ảnh hưởng trực tiếp

bởi hàm lượng và chất lượng của xi măng có trong hỗn hợp, co ngót tăng cùng với

sự tăng của tỷ lệ hồ xi măng / cốt liệu trong hỗn hợp. Với BTXM tro bay thì lượng

xi măng giảm và được thay thế bằng tro bay có khối lượng riêng nhẹ hơn xi măng vì

vậy giảm được tỷ lệ hồ xi măng / cốt liệu nên mặt đường giảm được co ngót.

a. Biến dạng dọc trục do nhiệt thủy hóa

Sự tỏa nhiệt khi đông kết phụ thuộc vào tổng lượng chất kết dính trong bê

tông, trong đó xi măng đóng vai trò quan trọng. Sự chênh lệch nhiệt độ trong tấm bê

tông do quá trình thủy hóa đã làm phát sinh biến dạng kéo dọc trục (εz) và được xác

.αε =

định theo công thức của McCullough [83]:

Tc Δ

(4.7)

trong đó: αc – hệ số giãn nở nhiệt bê tông (με / °C);

ΔT – chênh lệch nhiệt độ trong bê tông tại thời điểm t (giờ) và tại thời

−

điểm kết thúc đông kết (0C):

]

fz ,

) − Δ s

[ tz∑ T (

T =Δ

(4.8)

h , Δz – chiều dày tấm và độ sâu từ mặt tấm tới vị trí tính toán (mm).

Tz,t – nhiệt độ tại độ sâu z tại thời điểm t (0C);

Tz,f-s – nhiệt độ tại độ sâu z tại thời điểm kết thúc đông kết (0C);

b. Biến dạng do co ngót

113

Co ngót dẻo xảy ra trong giai đoạn tuổi sớm do sự mất hơi nước xảy ra trên

bề mặt đường BTXM. Co ngót dẻo phụ thuộc vào tốc độ bay hơi nước, độ ẩm, nhiệt

độ môi trường và tốc độ gió. Theo Bazant [51], biến dạng do co ngót chủ yếu xảy ra

trên bề mặt tấm BTXM và giảm dần theo chiều sâu (Hình 4.8).

Hình 4.8. Biến dạng do co ngót dẻo

∇=

Theo Bazant [51], biến dạng co ngót (εsh) được xác định như sau:

ε sh

. M ε sh

∞

(4.9)

trong đó: ∇M – gradient độ ẩm (%);

εsh∞ – co ngót khô, được xác định theo công thức:

ε sh

∞

= ∞ ε s

E ( χ ( tE

+ +

600 ) ) τ sh

(4.10)

E(t) – mô đun đàn hồi bê tông ở ngày thứ t, được tính theo công thức:

)( tE

t .85,04 t

(4.11)

t0 , χ – tuổi bê tông khi bắt đầu khô và tại ngày thứ 7 (ngày).

εs∞ – hệ số co ngót; τsh – biến dạng bê tông trong ½ ngày, τsh = kt . (ks.h)2;

-0,25 (ngày / mm2).

h – chiều dày tấm bê tông (mm);

ks – hệ số mặt cắt ngang tấm, với tấm bản ks = 1,0; -0,08. Rn kt – hệ số, kt = 190.8.t0

c. Ứng suất kéo dọc trục

Ứng suất kéo dọc trục sinh ra khi biến dạng dọc trục của bê tông bị cản trở

một phần hoặc toàn phần bởi mối nối giữa các tấm và ma sát đáy tấm với lớp móng:

( ) .εε +

axial

ER . F

eff

(4.12)

114

trong đó: RF – hệ số xét đến chuyển vị tự do của tấm, khi tấm bị ngăn cản hoàn toàn

RF = 1, tấm chuyển vị tự do RF = 0, tấm bị ngăn cản một phần 0 < RF < 1;

Eeff – mô đun đàn hồi có xét đến từ biến (MPa).

Theo Umehara [101], Eeff được xác định theo công thức:

eff

E b EJ t

(4.13)

trong đó: Eb – mô đun đàn hồi bê tông (MPa) và Jt – hệ số từ biến (mm2 / N).

4.3.3.3. Ứng suất lớn nhất trong tấm bê tông

Ứng suất lớn nhất trong tấm bê tông [σ(t)] là giá trị lớn nhất của tổ hợp gồm

ứng suất uốn vồng và ứng suất kéo dọc trục, có thể xảy ra ở hai vị trí bất lợi nhất ở

mặt trên hoặc mặt dưới của tấm BTXM, được xác định như sau:

) .

( εε + sh

top

. ER F

eff

curl

top

]

Max

[ σ

)( t

. ER F

eff

bot

curl

bot

⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭

⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ε ⎩

(4.14)

trong đó: [σ(t)] – ứng suất kéo lớn nhất trong tấm tại thời điểm t (giờ) (MPa);

σcurl,top ; σcurl,bot – ứng suất kéo uốn tại mặt trên và mặt dưới tấm, theo công

thức (4.5) (MPa);

εtop; εbot – biến dạng nhiệt tại vị trí mặt trên và mặt dưới tấm, tính theo công

thức (4.7) (mm);

εsh – biến dạng co ngót, tính theo công thức (4.9) (mm);

Eeff – mô đun đàn hồi có xét đến từ biến, tính theo công thức (4.13) (MPa).

4.3.4. Điều kiện kiểm toán ứng suất mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm

Kết cấu mặt đường BTXM trong giai tuổi sớm (72 giờ) không bị nứt khi ứng

suất lớn nhất trong tấm nhỏ hơn cường độ chịu kéo giới hạn của bê tông:

(4.15) [σ (t)] < R(t)

trong đó: [σ(t)] – ứng suất kéo lớn nhất trong tấm bê tông tại thời điểm t (giờ) sau khi đổ bê tông, tính theo công thức (4.14) (MPa);

R(t) – cường độ chịu kéo (giới hạn) của bê tông tại thời điểm t (giờ) sau

115

khi đổ bê tông, tính theo công thức (4.2) (MPa).

Nội dung tính và kiểm toán ứng suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn

tuổi sớm được trình bày tóm tắt theo sơ đồ khối Hình 4.9.

Hình 4.9. Sơ đồ tính và kiểm toán ứng suất trong mặt đường bê tông giai đoạn tuổi sớm

116

4.4. Phân tích ảnh hưởng của tro bay đến cường độ và ứng suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm

Để phân tích ảnh hưởng của tro bay đến khả năng chống nứt của mặt đường

bê tông ở giai đoạn tuổi sớm, cần tiến hành tính toán cường độ, ứng suất cho các

dạng kết cấu áo đường đã thiết kế trong Mục 4.2. và sử dụng các số liệu về thành

phần vật liệu dùng để chế tạo BTXM tro bay trong Chương 2.

Việc tính toán ứng suất và cường độ chịu kéo bê tông ở giai đoạn tuổi sớm

phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm thành phần vật liệu, thời tiết, điều kiện thi công

và cấu tạo kết cấu áo đường. Trong thành phần vật liệu thì khối lượng và thành phần

chất kết dính có ảnh hưởng quan trọng nhất đến nhiệt độ thủy hóa. Điều kiện môi

trường bao gồm nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió cần được xác định tùy thuộc vào thời

điểm thi công theo mùa trong năm. Nội dung phân tích có sự kết hợp với việc sử

dụng chương trình tính do cơ quan quản lí đường bộ liên bang Mỹ nghiên cứu và

phát triển thông qua phần mềm HIPERPAV III đã được công bố và sử dụng rộng rãi

[64]. Kết quả phân tích nhằm đánh giá khả năng kháng nứt mặt đường BTXM tro

bay từ đó cho phép lựa chọn thành phần vật liệu cũng như đưa ra các giải pháp thích

hợp nhằm giảm thiểu khả năng xuất hiện vết nứt mặt đường.

4.4.1. Các số liệu phục vụ tính toán

Số liệu dùng để tính toán cường độ, ứng suất được phân làm 4 nhóm chính:

a. Thành phần vật liệu bê tông

Thành phần vật liệu bê tông bao gồm khối lượng và loại xi măng (xi măng

poóc lăng), tro bay (loại F); loại cốt liệu thô (đá vôi), cốt liệu mịn (cát) được lấy

theo số liệu đã tính trong Chương 2 – Mục 2.4.5 (Bảng 2.29).

b. Cấu tạo kết cấu áo đường

+ Sử dụng kết quả thiết kế kết cấu áo đường với 4 loại BTXM tro bay theo

Mục 4.2. (Bảng 4.14) và tính toán với BTXM thông thường (PC) để đối chứng.

+ Tấm có chiều rộng điển hình bằng 3,5 m; chiều dài tấm phổ biến trong

khoảng 4,5 ÷ 5,0 m. Mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo uốn bê tông ở 28 ngày đã

được thí nghiệm trong Chương 3 – Mục 3.9 (Bảng 3.19).

117

+ Móng trên bằng CPĐD gia cố 5% xi măng dày 20 cm; lớp móng dưới bằng

CPĐD loại II dày 18 cm.

c. Số liệu về điều kiện môi trường

Giả định điều kiện thi công của các loại bê tông là như nhau, trong đó nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp là 24 0C. Mặt đường được thi công vào mùa hè, là mùa bất

lợi do có nhiệt độ ban ngày cao và sự chênh lệch nhiệt độ ngày và đêm lớn; độ ẩm

không khí thấp; tốc độ gió lớn.

4.4.2. Kết quả tính cường độ và ứng suất mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm

Trong các dạng kết cấu áo đường BTXM tro bay đã thiết kế ở Bảng 4.14, lựa

chọn loại mặt đường ô tô cấp III, IV có quy mô giao thông cấp trung bình để tính

toán và phân tích ảnh hưởng của tro bay đến cường độ và ứng suất trong giai đoạn

tuổi sớm. Bởi vì với cấp đường này có thể sử dụng được đầy đủ cả 4 loại BTXM tro

bay đã chế tạo, đồng thời còn sử dụng thêm cả loại BTXM thông thường để đối

chứng. Các số liệu tính toán chính được tổng hợp trong Bảng 4.17 dưới đây. Với

các loại mặt đường khác, kết quả tính toán được trình bày tóm tắt trong Mục 4.5.

Bảng 4.17 – Số liệu đầu vào tính cường độ, ứng suất bê tông ở giai đoạn tuổi sớm

Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD TT Chỉ tiêu Bê tông PC 15% 20% 25% 30%

1 Cấp thiết kế Mặt đường ô tô cấp III, IV có quy mô giao thông cấp trung bình

2 Chiều rộng × chiều dài tấm (m) 3,5 × 5,0

3 Chiều dày tấm (cm) 22 23 23 24 22

400 390 380 371 439

4 Thành phần vật liệu: + Xi măng (kg / m3) + Tro bay (kg / m3) 73 96 125 160 0

5 Kết quả thí nghiệm ở 28 ngày

+ Cường độ chịu kéo (MPa) 4,88 4,77 4,73 4,67 5,01

+ Mô đun đàn hồi (GPa) 31,11 31,05 30,79 30,68 30,33

Với các số liệu đã nêu, tiến hành tính cường độ chịu kéo bê tông theo công

118

thức (4.2); tính ứng suất tại mặt trên và mặt dưới tấm theo công thức (4.14). Kết quả

tính chi tiết tại từng thời điểm (với bước thời gian Δt = 1 giờ) được nêu trong Phục

lục 6; trong đó tại một số thời điểm ứng suất đạt cực đại được tổng hợp trong Bảng

4.18 và biểu diễn trên các biểu đồ Hình 4.10 và Hình 4.11.

Bảng 4.18 – Bảng kết quả tính cường độ, ứng suất trong tấm bê tông (MPa)

Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD Tên chỉ tiêu TT Thời điểm 0% 15% 20% 25% 30%

Cường độ (4 giờ) 0,016 0,007 0,005 0,004 0,003

0,067 0,032 0,019 0,011 0,003 1 Ứng suất mặt trên (8 giờ)

Bắt đầu hình thành 0,056 0,054 0,053 0,053 0,053 Ứng suất mặt dưới (6 giờ)

Cường độ 1,192 1,070 1,013 0,977 0,938

2 Ứng suất (cực đại) mặt trên 1,041 0,921 0,879 0,838 0,796 18 giờ Ứng suất mặt dưới 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

Cường độ 1,419 1,304 1,245 1,210 1,169

3 Ứng suất mặt trên 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 25 giờ Ứng suất (cực đại) mặt dưới 0,770 0,520 0,467 0,393 0,322

Cường độ 1,741 1,633 1,577 1,543 1,502

4 Ứng suất (cực đại) mặt trên 1,763 1,607 1,543 1,492 1,430 41 giờ Ứng suất mặt dưới 0,483 0,271 0,219 0,127 0,040

Cường độ 1,844 1,739 1,682 1,649 1,608

5 Ứng suất mặt trên 0,173 0,000 0,000 0,000 0,000 48 giờ Ứng suất (cực đại) mặt dưới 1,387 1,085 1,013 0,897 0,780

Cường độ 2,036 1,934 1,875 1,842 1,802

6 Ứng suất (cực đại) mặt trên 1,914 1,807 1,763 1,713 1,662 65 giờ Ứng suất mặt dưới 0,798 0,605 0,556 0,465 0,370

Cường độ 2,104 2,003 1,943 1,911 1,870

7 Ứng suất mặt trên 0,710 0,567 0,530 0,484 0,439 72 giờ Ứng suất mặt dưới 1,651 1,382 1,317 1,197 1,075

119

(a). Bê tông 15% tro bay (b). Bê tông 20% tro bay

(c). Bê tông 25% tro bay

(d). Bê tông 30% tro bay (1): Cường độ kéo; (2): Ứng suất mặt trên tấm; (3): Ứng suất mặt dưới tấm Hình 4.10. Biểu đồ ứng suất và cường độ kéo BTXM tro bay ở giai đoạn tuổi sớm

(1): Cường độ kéo; (2): Ứng suất mặt trên tấm; (3): Ứng suất mặt dưới tấm Hình 4.11. Biểu đồ ứng suất và cường độ kéo bê tông PC (không tro bay) ở giai đoạn tuổi sớm

120

* Phân tích sự phát triển cường độ bê tông trong giai đoạn tuổi sớm:

- Thời điểm 4 giờ sau khi đổ bê tông cường độ chịu kéo bắt đầu hình thành

và tăng dần theo thời gian. Biểu đồ cường độ có dạng cong lồi, đạt giá trị cao nhất

tại thời điểm cuối của giai đoạn tuổi sớm (ở 72 giờ): với bê tông PC thì R72h (PC) =

2,104 MPa; với BTXM tro bay R72h (FC) = 1,870 ÷ 2,003 MPa.

* Phân tích ứng suất trong bê tông mặt đường trong giai đoạn tuổi sớm:

- Ứng suất trong bê tông hình thành muộn hơn cường độ chịu kéo và phát

triển có biểu đồ dạng tương tự hình sin. Ứng suất tại mặt dưới tấm bắt đầu hình

thành ở giờ thứ 6, còn ứng suất tại mặt trên tấm bắt đầu hình thành ở giờ thứ 8. Tuy

hình thành muộn hơn nhưng ứng suất tại mặt trên có giá trị tại các điểm cực đại lớn

hơn ứng suất tại mặt dưới.

- Ứng suất kéo tại mặt trên của tấm BTXM đạt cực đại tại các thời điểm 18

giờ, 41 giờ và 65 giờ (tương ứng vào lúc 5 ÷ 6 giờ sáng). Lúc này nhiệt độ không

khí xuống thấp và độ ẩm cao, nhiệt độ mặt dưới cao hơn mặt trên làm cho tấm bê

tông bị võng xuống, thớ trên của tấm phát sinh ứng suất kéo (σcurl.top). Đồng thời kết

hợp với ứng suất kéo dọc trục (σaxial) do co ngót dẻo và nhiệt thủy hóa làm cho ứng

suất tại mặt trên đạt cực đại.

- Ứng suất kéo tại mặt dưới của tấm BTXM đại cực đại tại các thời điểm 25

giờ, 48 giờ (tương ứng vào lúc 12 ÷ 13 giờ trưa). Lúc này nhiệt độ không khí lên

cao, độ ẩm thấp, nhiệt độ mặt trên cao hơn mặt dưới làm cho tấm bê tông bị vồng

lên, thớ dưới của tấm phát sinh ứng suất kéo (σcurl.bot), kết hợp với ứng suất kéo dọc

trục do nhiệt thủy hóa (ứng suất do co ngót dẻo bằng 0) làm cho ứng suất tại mặt

dưới đạt cực trị.

4.4.3. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến sự phát triển cường độ

Để phân tích ảnh hưởng của tro bay đến sự phát triển cường độ chịu kéo của

bê tông trong giai đoạn tuổi sớm, vẽ trên cùng một biểu đồ tổng hợp về cường độ

của 4 loại BTXM tro bay FC và bê tông PC như trong Hình 4.12 và Bảng 4.19.

121

Hình 4.12. Ảnh hưởng tro bay đến cường độ chịu kéo bê tông ở giai đoạn tuổi sớm

Bảng 4.19 – Cường độ chịu kéo bê tông ở giai đoạn tuổi sớm

Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD TT Tên chỉ tiêu 0% 15% 20% 25% 30%

1 4 giờ (sau khi đổ bê tông) Thời điểm bắt đầu hình thành cường độ:

0,016 0,007 0,005 0,004 0,003 + Cường độ chịu kéo R4h (MPa)

100,0 42,0 31,8 23,6 16,6

2 72 giờ (sau khi đổ bê tông) + Tỷ số R4h (FC) / R4h (PC) (%) Thời điểm kết thúc giai đoạn tuổi sớm:

2,104 2,003 1,943 1,911 1,870 + Cường độ chịu kéo R72h (MPa)

92,3 90,8 88,9 100,0 95,2 + Tỷ số R72h (FC) / R72h (PC) (%)

Theo Bảng 4.19, thời điểm bắt đầu hình thành (4 giờ), cường độ chịu kéo bê

tông tro bay FC chỉ bằng 16,6 ÷ 42,0 % bê tông PC. Nhưng sau đó tốc độ phát triển

nhanh hơn và đến cuối tuổi sớm (72 giờ), bê tông tro bay FC có cường độ chịu kéo

bằng 88,9 ÷ 95,2 % bê tông PC.

Trên Hình 4.12 cho thấy, khi tỷ lệ tro bay / CKD tăng từ 0 ÷ 30 %, cường độ

chịu kéo bê tông giảm (do ở giai đoạn tuổi sớm các phản ứng puzơlan diễn ra chậm

nên chưa có hiệu quả về cường độ).

122

4.4.4. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến sự phát triển ứng suất kéo

Từ các kết quả tính ứng suất kéo tại mặt trên và mặt dưới tấm bê tông theo

từng thời điểm trong giai đoạn tuổi sớm, xác định giá trị ứng suất lớn nhất trong tấm

(giữa mặt trên và mặt dưới tấm) và vẽ thành biểu đồ cho 5 loại bê tông như sau:

Hình 4.13. Ảnh hưởng tro bay đến ứng suất kéo

Tương tự như sự phát triển cường độ chịu kéo, tại mỗi thời điểm nhất định khi

tỷ lệ tro bay / CKD tăng, ứng suất kéo giảm. Tại 3 điểm cực đại (18 giờ, 41 giờ và

65 giờ), ứng suất kéo lớn nhất đều xảy ra ở mặt trên của tấm và có giá trị như sau:

Bảng 4.20 – Ứng suất kéo lớn nhất trong bê tông ở giai đoạn tuổi sớm

Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD TT Ứng suất kéo lớn nhất 0% 15% 20% 25% 30%

1 Thời điểm ứng suất cực đại lần 1 18 giờ (sau khi đổ bê tông)

1,041 0,921 0,879 0,838 0,796 + Ứng suất lớn nhất, [σ] (MPa)

100,0 88,5 84,4 80,5 76,5 + Tỷ số [σFC] / [σPC] (%)

2 Thời điểm ứng suất cực đại lần 2 41 giờ (sau khi đổ bê tông)

1,763 1,607 1,543 1,492 1,430 + Ứng suất lớn nhất, [σ] (MPa)

100,0 91,2 87,5 84,6 81,1 + Tỷ số [σFC] / [σPC] (%)

3 Thời điểm ứng suất cực đại lần 3 65 giờ (sau khi đổ bê tông)

1,914 1,807 1,763 1,713 1,662 + Ứng suất lớn nhất, [σ] (MPa)

100,0 94,4 92,1 89,5 86,8 + Tỷ số [σFC] / [σPC] (%)

123

Theo Bảng 4.20, thời điểm cực đại lần 1 (18 giờ), ứng suất kéo trong BTXM

tro bay FC chỉ đạt 76,5 ÷ 88,5 % so với bê tông PC; đến cực đại lần 2 (41 giờ) thì

đạt 81,1 ÷ 91,2 % và đến cực đại lần 3 (65 giờ) thì đạt 86,8 ÷ 94,4 %. Như vậy, tro

bay đã có tác dụng làm giảm ứng suất kéo trong bê tông.

4.4.5. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến khả năng kháng nứt mặt đường BTXM ở

giai đoạn tuổi sớm

Để đánh giá khả năng làm việc mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm, tiến

hành kiểm toán ứng suất kéo lớn nhất trong tấm so với cường độ chịu kéo của bê

tông theo công thức (4.15).

Tính tỷ số giữa ứng suất kéo lớn nhất và cường độ bê tông ([σ(t)]/R(t)), nếu tỷ

số lớn hơn 100% thì mặt đường xảy ra hiện tượng nứt (Hình 4.14).

Hình 4.14. Biểu đồ tỷ số ứng suất kéo lớn nhất / cường độ chịu kéo bê tông

Trên biểu đồ hình Hình 4.14 cho thấy, tại thời điểm 41 giờ sau khi đổ bê tông

thì tỷ số [σ41h] / R41h có giá trị lớn nhất, đây chính là thời điểm nguy hiểm nhất, mặt

đường có nguy cơ xảy ra nứt lớn nhất trong giai đoạn tuổi sớm. Vì vậy cần phải

kiểm toán ứng suất kéo tại thời điểm nguy hiểm nhất như trong Bảng 4.21 dưới đây.

124

Bảng 4.21 – Kiểm toán ứng suất kéo tại thời điểm nguy hiểm nhất (41 giờ)

Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD TT Tên chỉ tiêu 0% 15% 20% 25% 30%

1 Thời điểm nguy hiểm nhất 41 giờ (sau khi đổ bê tông)

2 Ứng suất kéo lớn nhất, [σ41h] + Giá trị (MPa) 1,763 1,607 1,543 1,492 1,430

100,0 91,2 87,5 84,6 81,1

0,0 -8,8 -12,5 -15,4 -18,9 + Tỷ số [σ41h (FC)] / [σ41h (PC)] (%) + Mức độ giảm ứng suất kéo bê tông FC so với bê tông PC (%)

3 Cường độ chịu kéo, R41h

+ Giá trị (MPa) 1,741 1,633 1,577 1,543 1,502

100,0 93,8 90,6 88,6 86,3

0,0 -6,2 -9,4 -11,4 -13,7 + Tỷ số R41h (FC) / R41h (PC) (%) + Mức độ giảm cường độ bê tông FC so với bê tông PC (%)

101,27 98,43 97,84 96,70 95,23

4 Tỷ số [σ41h] / R41h (%) 5 Kiểm toán: [σ41h] / R41h < 100% Không đạt Đạt Đạt Đạt Đạt

Căn cứ kết quả kiểm toán trong Bảng 4.21 và trên biểu đồ Hình 4.14 cho

thấy, tại thời điểm nguy hiểm nhất (41 giờ sau khi đổ bê tông), tỷ số ứng suất kéo

lớn nhất / cường độ chịu kéo của 5 loại bê tông đều đạt giá trị lớn nhất. Trong đó:

+ Với BTXM thông thường không tro bay (PC) có tỷ số [σ41h] / R41h > 100%

vì vậy mặt đường có nguy cơ xảy ra nứt tại mặt trên của tấm BTXM.

+ Với BTXM tro bay (15 ÷ 30%), tỷ số [σ41h] / R41h đều bé hơn 100%, vì vậy

mặt đường không xảy ra nứt tại mặt trên của tấm.

Như vậy khi sử dụng tro bay hàm lượng 15 ÷ 30% để thay thế một phần xi

măng đã làm giảm đồng thời cường độ và ứng suất kéo trong tấm BTXM ở giai

đoạn tuổi sớm so với bê tông không tro bay PC. Trong đó cường độ chịu kéo giảm

từ 6,2 ÷ 13,7 % còn ứng suất kéo (lớn nhất) giảm từ 8,8 ÷ 18,9 %. Do mức độ giảm

của ứng suất kéo lớn hơn mức độ giảm cường độ chịu kéo (Hình 4.15) nên mặt

đường BTXM tro bay ít có nguy cơ xảy ra nứt so với mặt đường BTXM thông

thường không tro bay.

125

Hình 4.15. Biểu đồ

ứng suất và cường độ

chịu kéo tại điểm cực

đại 41 giờ

4.5. Tổng hợp kết quả kiểm toán ứng suất trong các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay ở giai đoạn tuổi sớm

Tiến hành tính toán tương tự cho các loại kết cấu áo đường BTXM tro bay đã đề xuất trong Bảng 4.14. Kết quả xác định cường độ và ứng suất tại thời điểm nguy hiểm nhất (41 giờ sau khi đổ bê tông) trong mặt đường ở giai đoạn tuổi sớm được tổng hợp vào Bảng 4.22 dưới đây.

Bảng 4.22 – Tổng hợp kết quả kiểm toán ứng suất trong các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay ở giai đoạn tuổi sớm

Chiều dài tấm (m) TT Thông số Cấp thiết kế 4,5 4,75 5,0

A Đường cấp III – quy mô giao thông cấp nặng

Chiều dày tấm (cm) 25 25 25

1,425 1,454 1,474 1 Bê tông FC15 1,639 1,639 1,639 Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) Cường độ chịu kéo, R41h (MPa)