B GIÁO DC VÀ ĐÀO TO
TRƯỜNG ĐẠI HC GIAO THÔNG VN TI
_________________
TRN TRUNG HIU
NGHIÊN CU NG DNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY
LÀM MT ĐƯỜNG Ô TÔ VIT NAM
Chuyên ngành: Xây dng đường ô tô và đường thành ph
Mã ngành: 62.58.02.05
TÓM TT LUN ÁN TIN SĨ K THUT
HÀ NI - 2017
Công trình được hoàn thành ti:
TRƯỜNG ĐẠI HC GIAO THÔNG VN TI
Người hướng dn khoa hc:
GS.TS Phm Duy Hu
PGS.TS Lã Văn Chăm
Phn bin 1:
Phn bin 2:
Phn bin 3:
Lun án được bo v trước Hi đồng chm lun án Tiến sĩ k
thut cp Trường Đại hc Giao thông vn ti.
Vào hi: gi ngày tháng năm
Có th tìm hiu lun án ti:
Thư vin Quc gia
Thư vin Trường Đại hc Giao thông vn ti
1
M ĐẦU
1. Tính cp thiết ca lun án
Trên thế gii nhiu nước, mt đường BTXM được xây dng chiếm t
l ln do có cường độđộ bn cao. Vit Nam, BTXM ngày càng được
s dng nhiu để làm mt đường ô tô vi tng chiu dài lên ti hàng nghìn
kilomet. Để có 1 tn xi măng thì ngành công nghip sn xut thi ra môi
trường 1 tn khí CO2 [47], đây là mt trong nhng nguyên nhân dn đến
hiu ng nhà kính và biến đổi khí hu. Trong khi đó, hàng năm nước ta có
hàng chc nhà máy nhit đin đã thi ra hàng triu tn tro bay và tiếp tc
tăng, nếu không được tái s dng có hiu qu thì s lãng phí ngun tài
nguyên và nh hưởng nghiêm trng đến môi trường.
Theo các tài liu [10],[57],[63], s dng tro bay để thay thế mt phn xi
măng trong BTXM truyn thng có th làm tăng độ bn ca bê tông lên t
1,15 đến 2 ln; tro bay có th dùng ti 70 % khi lượng cht kết dính do đó
góp phn quan trng trong vic gim khi lượng xi măng, vì vy gim đáng
k lượng khí thi CO2. BTXM tro bay có lượng nhit thy hóa thp, nh đó
làm gim kh năng xy ra nt trên mt đường do tác dng ca nhit độ và co
ngót giai đon tui sm so vi BTXM truyn thng.
Trong BTXM, tro bay có nh hưởng nht định đến cường độđược
biu hin bng h s hiu qu tro bay (h s k). Tiêu chun Châu Âu EN206
[62] đã đưa ra các quy định v h s k. Trong khi đó Vit Nam, h s k
mi ch được đề cp ti trong tài liu [9] mà chưa có công trình nghiên cu
lý thuyết và thc nghim phù hp vi ngun vt liu nước ta, vì vy cũng
chưa có phương pháp thiết kế thành phn BTXM tro bay theo h s k.
Các công trình nghiên cu v tro bay trong bê tông Vit Nam ch yếu
cho bê tông đầm lăn; làm mt đường giao thông nông thôn và đường cp
thp hoc làm lp móng đường cp cao, chưa có công trình nghiên cu và
thc nghim có h thng và đầy đủ v các tính cht và tính năng cơ hc ca
BTXM tro bay để làm mt đưng quc l và mt đường cp cao.
Vi các phân tích nêu trên, vic nghiên cu nh hưởng ca tro bay đến
tính toán, thiết kế thành phn BTXM; nghiên cu tính cht cơ hc, độ bn,
tính công tác ca BTXM tro bay để làm mt đường ô tô trong đề tài “Nghiên
cu ng dng bê tông xi măng tro bay làm mt đường ô tô Vit Nam” là
cn thiết, có ý nghĩa v lý thuyết, thc tin, góp phn gim thiu tác động
đến môi trường trong điu kin nước ta có hàng triu tn tro bay thi ra mi
năm t các nhà máy nhit đin.
2. Mc đích nghiên cu ca lun án
- Phân tích tng quan nh hưởng ca tro bay đến các tính cht ca bê
tông và cơ chế phn ng trong hn hp BTXM tro bay.
- Xác định h s hiu qu tro bay (k) để làm cơ s thiết lp trình t thiết
kế thành phn vt liu bê tông theo h s k.
2
- Xác định mt s tính cht ca hn hp, tính năng cơ hc và độ bn ca
BTXM tro bay đáp ng các yêu cu làm mt đường ô tô.
- Thiết kế các dng kết cu mt đường BTXM tro bay và phân tích nh
hưởng tro bay đến kh năng kháng nt ca mt đường giai đon tui sm.
3. Ni dung, phm vi và phương pháp nghiên cu
- Ni dung nghiên cu: khái quát v BTXM tro bay, cơ chế phn ng
thy hóa và phn ng puzơlan, phân tích nh hưởng ca tro bay đến các đặc
tính ca bê tông. Thiết lp công thc lý thuyết và tiến hành thí nghim xác
định h s k. Chế to và thí nghim các tính năng ca BTXM tro bay làm
mt đường ô tô. Phân tích kh năng ng dng và thiết kế các dng kết cu
áo đường BTXM tro bay. Phân tích nh hưởng ca tro bay đến cường độ,
ng sut và kh năng kháng nt ca mt đường BTXM tro bay.
- Phm vi nghiên cu: S dng vt liu gm tro bay nhit đin sau tuyn
đáp ng tiêu chun ASTM C618 và xi măng PC40. Thí nghim các tính
năng cơ hc ca bê tông để làm lp trên ca mt đường ô tô.
- Phương pháp nghiên cu lý thuyết kết hp vi thí nghim trong phòng.
4. Nhng kết qu chính và mi ca lun án
- Đã xây dng mô hình lý thuyết để xác định h s k theo t l tro bay /
CKD (f), nước / CKD (
ω
): 1)1(
)5,01( +
=S
R
f
k
ω
- T đó đề xut h s thc nghim k vi ngun vt liu tro bay nước ta:
f = 15 ÷ 35% k = 0,7 ÷ 0,4 ; f = 35 ÷ 70% k = 0,4 ÷ 0,27
- Đã thiết lp phương pháp thiết kế thành phn vt liu BTXM tro bay
gm 8 bước. Trong đó h s k được dùng để điu chnh hàm lượng cht kết
dính gm xi măng và tro bay nhm đạt được cường độ nén và kéo un thiết
kế tui 28 ngày.
- Đã th nghim các tính năng cơ hc, độ bn, tính công tác ca BTXM
tro bay cho thy kh năng đáp ng được các yêu cu để làm mt đường ô tô
cp III, IV tr xung và đưa ra các dng kết cu áo đường phù hp.
- Đã phân tích nh hưởng tích cc ca tro bay đến kh năng kháng nt
do ng sut nhit gây ra trong mt đường BTXM giai đon tui sm.
5. B cc ca lun án
Lun án bao gm 130 trang thuyết minh cùng vi 70 bng; 56 hình v,
đồ th; ngoài ra còn có 103 tài liu tham kho và phn ph lc gm 97 trang.
Chương 1: Tng quan v BTXM tro bay.
Chương 2: Xác định h s hiu qu tro bay và thiết kế thành phn
BTXM tro bay.
Chương 3: Thí nghim mt s tính năng ca BTXM tro bay làm mt
đường ô tô.
Chương 4: Nghiên cu ng dng BTXM tro bay trong kết cu mt
đường ô tô. Phn kết lun và Phn ph lc.
3
Chương 1. TNG QUAN V BTXM TRO BAY
Ni dung Chương 1 trình bày khái quát chung v các quy định đối vi
BTXM làm mt đường ô tô; v BTXM tro bay t đó đưa ra nhn xét sau:
- Trên thế gii và Vit Nam xu hướng s dng BTXM làm mt đường
ngày càng tăng, đặc bit đối vi các đường cp cao đường trc chính.
Các tính năng chính bê tông cn phi đáp ng là cường độ chu kéo un và
độ bn nhit nhm đảm bo kh năng chu lc và độ bn khai thác. Vit
Nam hin nay, tro bay sau khi tuyn đã đáp ng được các yêu cu k thut
(ASTM C618) và có th s dng cho bê tông làm mt đường ô tô.
- Quá trình phn ng din ra trong hn hp BTXM tro bay gm các phn
ng thu hoá và các phn ng puzơlan (gia các oxit SiO2, Al2O3, Fe2O3,
CaO vi Ca(OH)2). Kết qu ca phn ng puzơlan là s chuyn hóa
Ca(OH)2 kém bn vng thành các cht CSH mi có tính bn vng giúp cho
bê tông tăng thêm cường độ, tăng kh năng chng thm, chng ăn mòn.
Mc độ phn ng puzơlan ph thuc vào t l tro bay (f) và t l nước (ω).
Hình 1.1 –
Quá trình
phn ng
trong BTXM
thông thường
không tro bay
Hình 1.2 –
Quá trình
phn ng
trong BTXM
tro bay
- La chn t l tro bay (f) hp lý s to ra được bê tông có cường độ
chu lc đáp ng được các yêu cu k thut làm mt đường ô tô. Bên cnh
đó tro bay còn có tác dng gim nhit thy hóa; tăng độ bn chu nước, ion
clo và gim lượng khí thi CO2 do quá trình sn xut xi măng ra môi trường.
- nh hưởng ca tro bay v mt cường độ được th hin bng h s hiu
qu (k). tui thí nghim nht định, h s k ph thuc ch yếu vào t l tro
(f) và t l N/CKD (ω). nước ta chưa có các nghiên cu lý thuyết và thc
nghim để xác định h s k.
- Mt s phương pháp la chn thành phn BTXM tro bay hin nay xem
tro bay như mt loi cht kết dính được s dng để thay thế mt phn xi
măng thun túy v mt khi lượng mà chưa xét đến hiu qu tro bay trong
bê tông bi tro bay và xi măng có nhng nh hưởng khác nhau đến s phát
trin cường độ và các tính năng cơ hc khác.
4
- nhiu nước trên thế gii như M, Canada, n độ, Hàn Quc,... vic
nghiên cu tro bay trong bê tông rt phát trin và đã được ng dng đa dng
trong lĩnh vc xây dng mt đường ô tô và sân bay. nước ta, các nghiên
cu ch yếu là thc nghim để đưa ra mt s loi thành phn bê tông. Các
công trình mt đường ô được ng dng thc tế ch yếu là đường giao
thông nông thôn và đường cp thp hoc làm lp móng mt đường.
Chương 2. XÁC ĐỊNH H S HIU QU TRO BAY VÀ THIT K
THÀNH PHN BTXM TRO BAY
2.1. Phương pháp xác định h s hiu qu tro bay (k)
Cường độ nén BTXM tro bay 28 ngày (RFC) được xây dng trên cơ s
công thc Bolomey ci tiến:
]5,0[
+
=
N
kFX
RAR FC
xFC (2.1)
Trong đó: Rx là cường độ nén ca xi măng ; XFCF là khi lượng xi măng
và tro bay trong BTXM tro bay (FC); NA là lượng nước và h s cht
lượng ct liu; k là h s hiu qu tro bay.
Gi Rs là t s gia cường độ bê tông FC và cường độ BTXM thông
thường không tro bay (PC). T đó thiết lp công thc xác định h s k:
1)1(
)5,01( +
=S
R
f
k
ω
(2.2)
Trong đó: f là t l tro bay / CKD; ω là t l N/CKD.
2.2. Thí nghim xác định h s hiu qu tro bay
Theo Cho.HB [56] thì nh hưởng ca t l tro bay (f) và t l nước (ω)
đến h s k trong bê tông và va xi măng tro bay có s tương đồng.
Vt liu thí nghim gm xi măng Nghi Sơn PC40; tro bay Ph Li loi F
vi 9 loi t l là 0; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50 và 70 % và 3 loi t l nước
(ω) là 0,35; 0,4 và 0,5. Tng cng có 162 mu thí nghim.
Hình 2.1– Quan h
gia h s RS vi t
l f và t l ω
T các kết qu thí nghim cường độ nén ca va xi măng tro bay FC và
va xi măng PC, thiết lp biu đồ quan h gia Rs vi t l tro bay (f) và
5
nước (ω) như Hình 2.1. c ba t l nước (ω) thì Rs đạt giá tr ln nht f
=15%. Sau đó Rs gim dn khi t l tro bay (f) tăng lên.
S dng phương pháp phân tích hi quy tương quan thc nghim, phân
tích phương sai nhm đánh giá nh hưởng ca các biến s f
ω
ti Rs vi
mc ý nghĩa α = 0,05 có độ tin cy 95% như trong Bng 2.1.
Bng 2.1 – Kết qu phân tích tương quan gia h s Rs vi t l (f) và (ω)
T l tro bay Phương trình hi quy H s R2
0 ÷ 15% R
s
= 0,67. f – 0,063.
ω
-1 + 1,018 0,899 (2.3)
15 ÷ 70% R
s
= – 1,093. f + 1,149 0,884 (2.4)
Thay các công thc (2.3),(2.4) vào (2.2) thu được phương trình h s k sau:
Bng 2.2 – Phương trình thc nghim h s hiu qu tro bay (k)
T l tro bay (f) Hiu qu tro bay (k)
0 ÷ 15% 67,1009,0
1
05,0335,0
1
063,0 ++= fff
k
ω
ω
(2.5)
15 ÷ 70% 093,00074,0
1
149,0546,0 += ff
k
ω
(2.6)
Để thun tin cho tra cu, thay các giá tr f = 0,1 ÷ 0,7 và ω = 0,35 ÷ 0,5
vào các công thc (2.5),(2.6) để xác định h s k. Mt khác theo Cho.HB
[55],[56], h s k ca bê tông được ly bng 0,9 ln ca va t đó thiết lp
biu đồ quan h gia h s k vi t l tro bay (f) và nước / CKD như sau:
Hình 2.2 – Quan h gia h s k vi f
ω
Theo Hình 2.2, khi t l tro bay t 10 ÷ 15% đồ th có xu hướng đi lên (k
tăng) do lượng Ca(OH)2 được to ra t phn ng thu hoá đã tham gia phn
ng pozzolan vi các thành phn hot tính trong tro bay (SiO2, Al2O3) to ra
khoáng CHS mi bn vng. H s k có giá tr cc đại khi t l f = 15%.
Khi t l tro bay ln hơn 15%, lượng xi măng trong hn hp gim đi
đáng k, đồng thi lượng tro bay tăng lên nhiu hơn nhưng ch mt phn tro
bay tham gia phn ng pozzolan và cũng không đủđắp cường độ ca
lượng xi măng gim đi. Trong khi đó mt lượng ln tro bay ch đóng vai trò
6
như là thành phn ht nh lp đầy các l rng. Kết qu phân tích này cũng
hoàn toàn phù hp vi kết qu đã nghiên cu lý thuyết v mc độ phn ng
hóa hc ca tro bay trong bê tông. Lúc này nh hưởng ca t l N/CKD đến
h s k không nhiu, h s k ph thuc ch yếu vào t l tro bay f. T đồ th
Hình 2.2 có th chia thành 2 đon như trong Bng 2.3.
Bng 2.3 – Giá tr h s hiu qu tro bay (k)
TT T l tro bay (
f
) H s hiu qu tro bay (
k
)
1 15 ÷ 35% 0,70 ÷ 0,40
2 35 ÷ 70% 0,40 ÷ 0,27
Đối chiếu vi mt s các kết qu nghiên cu và quy định trên thế gii
như Babu kiến ngh vi f = 15 ÷ 75%, k = 1,15 ÷ 0,33; Cho H.B kiến ngh
vi f = 15 ÷ 70%, k = 1,24 ÷ 0,2. Theo tiêu chun Châu Âu EN 206:2013
quy định khi không có các thí nghim để xác định k thì dùng đồng nht mt
h s mc ti thiu bng 0,4 (f 33%). Tuy nhiên có mt s quc gia đưa
ra các quy định riêng, Ailen (k = 0,2 ÷ 0,8 vi f 25%); Đan Mch (k = 0,5
vi f 33%); Pháp (0,4; 0,5 và thường là 0,6 vi f 35%); Đức (0,4 và 0,7
vi f 33%). So sánh vi các giá tr tham kho trên thì kết qu thí nghim
h s k vi các thông s vt liu nước ta thu được là có độ tin cy.
2.3. Phương pháp thiết kế thành phn bê tông theo h s hiu qu tro bay
Phương pháp thiết kế được xây dng vn dng theo tiêu chun ACI
211.4R có xét đến nh hưởng ca h s hiu qu (k). Ni dung gm 8 bước:
+ Xác định cường độu cu và độ st (Bước 1);
+ La chn c ht ln nht danh định ca ct liu (Bước 2) ;
+ La chn thành phn ct liu thô ti ưu (Bước 3);
+ Xác định lượng nước và hàm lượng khí (Bước 4);
+ Xác định t l nước / xi măng (Bước 5);
+ Xác định khi lượng xi măng ban đầu (Bước 6);
+ Xác định khi lượng xi măng và tro bay (Bước 7);
+ Thành phn hn hp BTXM tro bay theo h s k (Bước 8).
Trong đó hàm lượng xi măng (XFC) và tro bay (F) được xác định da vào
t l tro bay (f), h s k và khi lượng xi măng ban đầu (X0) như sau:
0
)1(1
1X
fk
f
XFC +
= ; 0
)1(1 X
fk
f
F+
= (2.7)
2.4. Thí nghim và thiết lp công thc thành phn vt liu BTXM tro
bay làm mt đường ô tô
Mc tiêu thiết lp công thc thành phn vt liu BTXM tro bay làm mt
đường ô tô vi cường độ thiết kế Rtkku = 4,5 MPa, Rtkn = 41,3 MPa.
Ni dung thí nghim BTXM tro bay FCk.NC vi h s kNC (Bng 2.3) và
thí nghim đối chng vi loi bê tông FCk.EN có h s kEN = 0,4 theo EN206.
Mi loi bê tông vi 5 loi t l tro bay 15%; 20%; 25%, 30% và 33% (theo
7
EN206). Mt t thí nghim gm 6 mu hình tr. Vt liu xi măng và tro bay
đã được nêu mc 2.2; cát có mô đun độ ln 2,9; đá dăm có Dmax=12,5 mm.
Kết qu thí nghim được phân tích bng phn mm Minitab 17 như sau:
FC33FC30FC25FC20FC15
60
50
40
30
20
10
0
Loi bê tông tro bay FC(k.NC)
Cường độ nén (MPa)
41,3
51.17 50.44 49.84
46.52 46.45
45.31 43.39 42.01 41.30
39.98
R_tk
FC33FC30FC25FC20FC15
60
50
40
30
20
10
0
Loibêtôn
g
tro ba
y
FC(k.EN)
41.3
50.83 50.70 49.69
47.39 45.57
46.31 45.84 44.66 42.36
40.53
R_tk
Hình 2.3. Kết qu thí nghim cường độ nén BTXM tro bay
Nhn xét: Khi t l f = 33 %, bê tông FC33k.NC và FC33k.EN đều có cường
độ nén (đặc trưng) nh hơn cường độ thiết kế. Vì vy ch nên s dng t l f
30 % khi thiết kế cho bê tông có cường độ kéo un Rtk
ku = 4,5 MPa.
T các kết qu thí nghim xác định cường độ nén đặc trưng (f ’c) đem so
sánh vi cường độ nén thiết kế Rtk
n (41,3 MPa) và lp thành bng như sau:
Bng 2.4 – So sánh cường độ nén đặc trưng (f’c) và cường độ thiết kế (Rtk
n)
T l
tro bay
%
BTXM tro bay FC
k
-NC
BTXM tro bay FC
k
-EN
Cường độ đặc
trưng
f’
c
, MPa
T s
f’
c
/ R
tk
n
Cường độ đặc
trưng
f’
c
, MPa
T s
f’
c
/ R
tk
n
15 45,31 1,10 46,31 1,12
20 43,39 1,05 45,84 1,11
25 42,01 1,02 44,66 1,08
30 41,30 1,00 42,36 1,02
Hình 2.4 – Biu đồ
quan h gia t s
f’c / Rtk
n và t l tro
bay (f)
Nhn xét: cùng mt t l tro bay (f) nht định, cường độ đặc trưng bê
tông FCk-EN ln hơn so vi bê tông FCk-NC do khi lượng xi măng được s
dng nhiu hơn. Tuy nhiên bê tông FCk-EN vi các t l f bng 15 % và 20 %
có khi lượng xi măng tương ng là 412 kg/m3 và 401 kg/m3 ln hơn theo
quy định đối làm mt đường ô tô là 400 kg/m3.
8
Khi lượng xi măng cao có th dn ti hin tượng co ngót nhit trong
quá trình thy hóa. Nhit thy hóa ta ra dn đến s chênh lch nhit độ b
mt và trong lòng khi bê tông là nguyên nhân chính phát sinh ng sut kéo
gây ra các vết nt trong mt đường BTXM. Bên cnh đó vic tiêu chun
EN206 đưa ra h s k chung cho các t l tro bay khác nhau không đánh giá
được nh hưởng ca tro bay đến cường độ ca bê tông.
Vi kết qu thí nghim dùng h s kNC thì hàm lượng xi măng được gim
đi đáng k nhưng khi t l tro bay ln hơn 30 %, bê tông khó đạt được
cường độ thiết kế mong mun. Vì vy, kiến ngh t l tro bay s dng t 15
÷ 30 % và h s k được ly là giá tr trung bình ca kENkNC như sau:
Bng 2.5 – Giá tr h s hiu qu tro bay trong bê tông mt đường ô tô
T l tro bay,
f
15 ÷ 20% 20 ÷ 25% 25 ÷ 30%
H s hiu qu tro bay,
k
0,55 ÷ 0,52 0,52 ÷ 0,48 0,48 ÷ 0,44
Khi đó thành phn vt liu BTXM tro bay làm mt đường ô tô được tính
toán theo t l tro bay f và h s k như sau:
Bng 2.6
Thành ph
n vt liu BTXM tro bay làm mt đường ô tô
TT Tên ch tiêu Loi BTXM tro bay PC
FC15 FC20 FC25 FC30
A Thành phn vt liu
1 Khi lượng xi măng (
X
FC
), kg 400 390 380 370 440
2Kh
i lượng tro bay (
F
), kg 73 96 125 160 0
3 Khi lượng ct liu thô, kg 1106 1106 1106 1106 1106
4 Khi lượng nước (
N
), kg 172 172 172 172 172
5 Khi lượng ct liu nh, kg 700 685 665 640 740
6 Ph gia hóa do, lít 4,00 3,90 3,80 3,70 4,40
B Các thông s tính toán
7 H s hiu qu tro bay (
k
) 0,55 0,52 0,48 0,44 0
8
K
h
i lượng ch
t k
ế
t dính, kg 473 486 505 530 440
9 Khi lượng xi măng quy đổi
40 50 60 70 0
10 Tng khi lượng xi măng sau
quy đổi (
Σ
X
qđ
=X
FC
+
k.F
), kg 440 440 440 440 440
11 T l tro bay / CKD, % 15 20 25 30 0
12 T l xi măng / CKD, %
85 80 75 70
100
13 T l tro bay / xi măng, %
18 25 33 43 0
14 T l
N / CKD
0,36 0,35 0,34 0,32
0,39
15 T l nước / xi măng quy đổi 0,39 0,39 0,39 0,39 0,39
T s liu Bng 2.6, phân tích theo Hình 2.5: khi đưa h s k vào trong
công thc tính toán thành phn vt liu theo nguyên tc vi các t l tro bay
khác nhau, nhưng tng khi lượng xi măng quy đổi (
Σ
Xqđ=XFC + k.F) là
không đổi đểc loi bê tông đều đạt được cường độ thiết kế yêu cu.