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

Công trình được hoàn thành tại:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI _________________

Người hướng dẫn khoa học:

GS.TS Phạm Duy Hữu

PGS.TS Lã Văn Chăm

TRẦN TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY

LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ Ở VIỆT NAM

Phản biện 1:

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

Mã ngành:

62.58.02.05

Phản biện 2:

Phản biện 3:

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ kỹ

thuật cấp Trường Đại học Giao thông vận tải.

Vào hồi: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

HÀ NỘI - 2017

• Thư viện Quốc gia

• Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải

2 1

- Xác định một số tính chất của hỗn hợp, tính năng cơ học và độ bền của MỞ ĐẦU BTXM tro bay đáp ứng các yêu cầu làm mặt đường ô tô. 1. Tính cấp thiết của luận án

- Thiết kế các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay và phân tích ảnh hưởng tro bay đến khả năng kháng nứt của mặt đường ở giai đoạn tuổi sớm. 3. Nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Trên thế giới ở nhiều nước, mặt đường BTXM được xây dựng chiếm tỷ lệ lớn do 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 hàng nghìn kilomet. 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 đã thải ra hàng triệu tấn tro bay và tiếp tục tăng, nếu không được tái sử dụng có hiệu quả thì sẽ lãng phí nguồn tài nguyên và ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường.

−

(

1)1

+−

)5,01( ω f

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm trong phòng. - Nội dung nghiên cứu: 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 đặc tính của bê tông. Thiết lập công thức lý thuyết và tiến hành thí nghiệm xác định hệ số k. Chế tạo và thí nghiệm các tính năng của BTXM tro bay làm mặt đường ô tô. Phân tích khả năng ứng dụng và thiết kế các dạng kết cấu áo đường BTXM tro bay. Phân tích ảnh hưởng của tro bay đến cường độ, ứng suất và khả năng kháng nứt của mặt đường BTXM tro bay. - Phạm vi nghiên cứu: Sử dụng vật liệu gồm tro bay nhiệt điện sau tuyển đáp ứng tiêu chuẩn ASTM C618 và xi măng PC40. Thí nghiệm các tính năng cơ học của bê tông để làm lớp trên của mặt đường ô tô. 4. Những kết quả chính và mới của luận án Theo các tài liệu [10],[57],[63], 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. BTXM 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 truyền thống. - Đã xây dựng mô hình lý thuyết để xác định hệ số k theo tỷ lệ tro bay / CKD (f), nước / CKD (ω):

f = 15 ÷ 35% ⇔ k = 0,7 ÷ 0,4 ;

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.

- Từ đó đề xuất hệ số thực nghiệm k với nguồn vật liệu tro bay ở nước ta: f = 35 ÷ 70% ⇔ k = 0,4 ÷ 0,27 - Đã thiết lập phương pháp 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 và tro bay nhằm đạt được cường độ nén và kéo uốn thiết kế ở tuổi 28 ngày.

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. - Đã thử nghiệm các tính năng cơ học, độ bền, tính công tác của BTXM tro bay cho thấy khả năng đáp ứng được các yêu cầu để làm mặt đường ô tô cấp III, IV trở xuống và đưa ra các dạng kết cấu áo đường phù hợp. - Đã phân tích ảnh hưởng tích cực của tro bay đến khả năng kháng nứt

do ứng suất nhiệt gây ra trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm. 5. Bố cục của luận án

Luận án bao gồm 130 trang thuyết minh cùng với 70 bảng; 56 hình vẽ, đồ thị; ngoài ra còn có 103 tài liệu tham khảo và phần phụ lục gồm 97 trang.

Chương 1: Tổng quan về BTXM tro bay. Chương 2: Xác định hệ số hiệu quả tro bay và thiết kế thành phần 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 đích nghiên cứu của luận án BTXM tro bay. - Phân tích tổng quan ảnh hưởng của tro bay đến các tính chất của bê Chương 3: Thí nghiệm một số tính năng của BTXM tro bay làm mặt tông và cơ chế phản ứng trong hỗn hợp BTXM tro bay. đường ô tô. - Xác định hệ số hiệu quả tro bay (k) để làm cơ sở thiết lập trình tự thiết Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trong kết cấu mặt kế thành phần vật liệu bê tông theo hệ số k. đường ô tô. Phần kết luận và Phần phụ lục.

3 4

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BTXM TRO BAY

Nội dung Chương 1 trình bày khái quát chung về các quy định đối với BTXM làm mặt đường ô tô; về BTXM tro bay từ đó đưa ra nhận xét sau:

- Ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Canada, Ấn độ, Hàn Quốc,... việc nghiên cứu tro bay trong bê tông rất phát triển và đã được ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực xây dựng mặt đường ô tô và sân bay. Ở nước ta, các nghiên cứu chủ yếu là thực nghiệm để đưa ra một số loại thành phần bê tông. Các công trình mặt đường ô tô được ứng dụng thực tế chủ yếu là đường giao thông nông thôn và đường cấp thấp hoặc làm lớp móng mặt đường.

[

]5,0

−

+ N

- Trên thế giới và ở Việt Nam xu hướng sử dụng BTXM làm mặt đường ngày càng tăng, đặc biệt đối với các đường cấp cao và đường trục chính. Các tính năng chính bê tông cần phải đáp ứng là cường độ chịu kéo uốn và độ bền nhiệt nhằm đảm bảo khả năng chịu lực và độ bền khai thác. Ở Việt Nam hiện nay, tro bay sau khi tuyển đã đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật (ASTM C618) và có thể sử dụng cho bê tông làm mặt đường ô tô. Chương 2. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HIỆU QUẢ TRO BAY VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BTXM TRO BAY 2.1. Phương pháp xác định hệ số hiệu quả tro bay (k) Cường độ nén BTXM tro bay ở 28 ngày (RFC) được xây dựng trên cơ sở công thức Bolomey cải tiến: (2.1)

−

Trong đó: Rx là cường độ nén của xi măng ; XFC và F là khối lượng xi măng và tro bay trong BTXM tro bay (FC); N và A là lượng nước và hệ số chất lượng cốt liệu; k là hệ số hiệu quả tro bay. Gọi Rs là tỷ số giữa cường độ bê tông FC và cường độ BTXM thông

1)1

(

+−

(2.2) thường không tro bay (PC). Từ đó thiết lập công thức xác định hệ số k:

- Quá trình phản ứng diễn ra trong hỗn hợp BTXM tro bay gồm các phản ứng thuỷ hoá và các phản ứng puzơlan (giữa các oxit SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO với Ca(OH)2). Kết quả của phản ứng puzơlan là sự chuyển hóa 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. Mức độ phản ứng puzơlan phụ thuộc vào tỷ lệ tro bay (f) và tỷ lệ nước (ω). Hình 1.1 – Quá trình phản ứng trong BTXM thông thường không tro bay

)5,01( ω f Trong đó: f là tỷ lệ tro bay / CKD; ω là tỷ lệ N/CKD. 2.2. Thí nghiệm xác định hệ số hiệu quả tro bay

Theo Cho.HB [56] thì ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay (f) và tỷ lệ nước (ω) đến hệ số k trong bê tông và vữa xi măng tro bay có sự tương đồng.

Hình 1.2 – Quá trình phản ứng trong BTXM tro bay Vật liệu thí nghiệm gồm xi măng Nghi Sơn PC40; tro bay Phả Lại loại F với 9 loại tỷ lệ là 0; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50 và 70 % và 3 loại tỷ lệ nước (ω) là 0,35; 0,4 và 0,5. Tổng cộng có 162 mẫu thí nghiệm.

Hình 2.1– Quan hệ giữa hệ số RS với tỷ lệ f và tỷ lệ ω - Lựa chọn tỷ lệ tro bay (f) 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. - Ảnh hưởng của tro bay về mặt cường độ được thể hiện bằng hệ số hiệu quả (k). Ở tuổi thí nghiệm nhất định, hệ số k phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ tro (f) và tỷ lệ N/CKD (ω). Ở nước ta chưa có các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xác định hệ số k.

- 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. Từ các kết quả thí nghiệm cường độ nén của vữa xi măng tro bay FC và vữa xi măng PC, thiết lập biểu đồ quan hệ giữa Rs với tỷ lệ tro bay (f) và

5 6

nước (ω) như Hình 2.1. Ở cả ba tỷ lệ nước (ω) thì Rs đạt giá trị lớn nhất ở f =15%. Sau đó Rs giảm dần khi tỷ lệ tro bay (f) tăng lên.

như là thành phần hạt nhỏ lấp đầy các lỗ rỗng. Kết quả phân tích này cũng hoàn toàn phù hợp với kết quả đã nghiên cứu lý thuyết về mức độ phản ứng hóa học của tro bay trong bê tông. Lúc này ảnh hưởng của tỷ lệ N/CKD đến hệ số k không nhiều, hệ số k phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ tro bay f. Từ đồ thị Hình 2.2 có thể chia thành 2 đoạn như trong Bảng 2.3. Sử dụng phương pháp phân tích hồi quy tương quan thực nghiệm, phân tích phương sai nhằm đánh giá ảnh hưởng của các biến số f và ω tới Rs với mức ý nghĩa α = 0,05 có độ tin cậy 95% như trong Bảng 2.1. Bảng 2.3 – Giá trị hệ số hiệu quả tro bay (k) Hệ số R2

Tỷ lệ tro bay (f) 15 ÷ 35% 35 ÷ 70% Hệ số hiệu quả tro bay (k) 0,70 ÷ 0,40 0,40 ÷ 0,27 Bảng 2.1 – Kết quả phân tích tương quan giữa hệ số Rs với tỷ lệ (f) và (ω) Tỷ lệ tro bay 0 ÷ 15% 15 ÷ 70% 0,899 0,884 (2.3) (2.4) Phương trình hồi quy Rs = 0,67. f – 0,063. ω-1 + 1,018 Rs = – 1,093. f + 1,149

063

335,0

05,0

009,0

67,1

−=

−

ω +

−

Thay các công thức (2.3),(2.4) vào (2.2) thu được phương trình hệ số k sau: Bảng 2.2 – Phương trình thực nghiệm hệ số hiệu quả tro bay (k) Tỷ lệ tro bay (f) Hiệu quả tro bay (k)

1 f

ω f

1 f ω

546,0

149,0

0074

093

−

(2.5) 0 ÷ 15%

1 f

ω f

15 ÷ 70% (2.6)

TT 1 2 Đối chiếu với một số các kết quả nghiên cứu và quy định trên thế giới như Babu kiến nghị với f = 15 ÷ 75%, k = 1,15 ÷ 0,33; Cho H.B kiến nghị với f = 15 ÷ 70%, k = 1,24 ÷ 0,2. Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 206:2013 quy định khi không có các thí nghiệm để xác định k thì dùng đồng nhất một hệ số ở mức tối thiểu bằng 0,4 (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%). So sánh với các giá trị tham khảo 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. Phương pháp thiết kế thành phần bê tông theo hệ số hiệu quả tro bay Phương pháp thiết kế được xây dựng vận dụng theo tiêu chuẩn ACI 211.4R có xét đến ảnh hưởng của hệ số hiệu quả (k). Nội dung gồm 8 bước: Để thuận tiện cho tra cứu, thay các giá trị f = 0,1 ÷ 0,7 và ω = 0,35 ÷ 0,5 vào các công thức (2.5),(2.6) để xác định hệ số k. Mặt khác theo Cho.HB [55],[56], hệ số k của bê tông được lấy bằng 0,9 lần của vữa từ đó thiết lập biểu đồ quan hệ giữa hệ số k với tỷ lệ tro bay (f) và nước / CKD như sau:

X FC

f −

(1 +

1 − k (1 +

f )1 −

+ Xác định cường độ yêu cầu và độ sụt (Bước 1); + Lựa chọn cỡ hạt lớn nhất danh định của cốt liệu (Bước 2) ; + Lựa chọn thành phần cốt liệu thô tối ưu (Bước 3); + Xác định lượng nước và hàm lượng khí (Bước 4); + Xác định tỷ lệ nước / xi măng (Bước 5); + Xác định khối lượng xi măng ban đầu (Bước 6); + Xác định khối lượng xi măng và tro bay (Bước 7); + Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay theo hệ số k (Bước 8). Trong đó hàm lượng xi măng (XFC) và tro bay (F) được xác định dựa vào tỷ lệ tro bay (f), hệ số k và khối lượng xi măng ban đầu (X0) như sau: ; (2.7) Hình 2.2 – Quan hệ giữa hệ số k với f và ω

ku = 4,5 MPa, Rtk

n = 41,3 MPa.

2.4. Thí nghiệm và thiết lập công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô Mục tiêu thiết lập công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt Theo Hình 2.2, khi tỷ lệ tro bay từ 10 ÷ 15% đồ thị có xu hướng đi lên (k tăng) do lượng Ca(OH)2 được tạo ra từ phản ứng thuỷ hoá đã tham gia phản ứng pozzolan với các thành phần hoạt tính trong tro bay (SiO2, Al2O3) tạo ra khoáng CHS mới bền vững. Hệ số k có giá trị cực đại khi tỷ lệ f = 15%. đường ô tô với cường độ thiết kế Rtk

Nội dung thí nghiệm BTXM tro bay FCk.NC với hệ số kNC (Bảng 2.3) và thí nghiệm đối chứng với loại bê tông FCk.EN có hệ số kEN = 0,4 theo EN206. Mỗi loại bê tông với 5 loại tỷ lệ tro bay 15%; 20%; 25%, 30% và 33% (theo Khi tỷ lệ tro bay lớn hơn 15%, lượng xi măng trong hỗn hợp giảm đi đáng kể, đồng thời lượng tro bay tăng lên nhiều hơn nhưng chỉ một phần tro bay tham gia phản ứng pozzolan và cũng không đủ bù đắp cường độ của lượng xi măng giảm đi. Trong khi đó một lượng lớn tro bay chỉ đóng vai trò

7 8

EN206). Một tổ thí nghiệm gồm 6 mẫu hình trụ. Vật liệu xi măng và tro bay đã được nêu ở mục 2.2; cát có mô đun độ lớn 2,9; đá dăm có Dmax=12,5 mm. Kết quả thí nghiệm được phân tích bằng phần mềm Minitab 17 như sau:

60

51.17

50.44

49.84

50.83

50.70

49.69

50

46.52

47.39

46.45

45.31

43.39

46.31

45.57

45.84

42.01

44.66

R_tk

42.36

41.30

39.98

Khối lượng xi măng cao có thể dẫn tới hiện tượng co ngót nhiệt trong quá trình thủy hóa. Nhiệt thủy hóa tỏa ra dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ bề mặt và trong lòng khối bê tông là nguyên nhân chính phát sinh ứng suất kéo gây ra các vết nứt trong mặt đường BTXM. Bên cạnh đó việc tiêu chuẩn EN206 đưa ra hệ số k chung cho các tỷ lệ tro bay khác nhau không đánh giá được ảnh hưởng của tro bay đến cường độ của bê tông.

41,3 40

41.3 40

40.53

) a P M

(

30 n é n

ộ đ

20 g n ờ ư C

Với kết quả thí nghiệm dùng hệ số kNC thì hàm lượng xi măng được giảm đi đáng kể nhưng khi tỷ lệ tro bay lớn hơn 30 %, bê tông khó đạt được cường độ thiết kế mong muốn. Vì vậy, kiến nghị tỷ lệ tro bay sử dụng từ 15 ÷ 30 % và hệ số k được lấy là giá trị trung bình của kEN và kNC như sau:

10

0 FC15

FC20

FC30

FC33

FC15

FC20

FC25

FC30

FC33

Loại bê tông tro bay FC(k.NC)

FC25 Loại bê tông tro bay FC(k.EN)

k.NC và FC33

k.EN đều có cường độ nén (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

ku = 4,5 MPa.

Tỷ lệ tro bay, f Hệ số hiệu quả tro bay, k 20 ÷ 25% 0,52 ÷ 0,48 Hình 2.3. Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay Bảng 2.5 – Giá trị hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông mặt đường ô tô 25 ÷ 30% 15 ÷ 20% 0,48 ÷ 0,44 0,55 ÷ 0,52 Khi đó thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô được tính Nhận xét: Khi tỷ lệ f = 33 %, bê tông FC33 toán theo tỷ lệ tro bay f và hệ số k như sau: Bảng 2.6 – Thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô

Từ các kết quả thí nghiệm xác định cường độ nén đặc trưng (f ’c) đem so TT Tên chỉ tiêu PC Loại BTXM tro bay FC15 FC20 FC25 FC30

BTXM tro bay FCk-NC

sánh với cường độ nén thiết kế Rtk n (41,3 MPa) và lập thành bảng như sau: Bảng 2.4 – So sánh cường độ nén đặc trưng (f’c) và cường độ thiết kế (Rtk BTXM tro bay FCk-EN Tỷ lệ tro bay % 15 20 25 30 Cường độ đặc trưng f’c, MPa 46,31 45,84 44,66 42,36 Cường độ đặc trưng f’c, MPa 45,31 43,39 42,01 41,30 Tỷ số f’c / Rtk n 1,10 1,05 1,02 1,00 Tỷ số f’c / Rtk n 1,12 1,11 1,08 1,02

A Thành phần vật liệu 1 Khối lượng xi măng (XFC), kg 2 Khối lượng tro bay (F), kg 3 Khối lượng cốt liệu thô, kg 4 Khối lượng nước (N), kg 5 Khối lượng cốt liệu nhỏ, kg Phụ gia hóa dẻo, lít 6 B Các thông số tính toán 7 Hệ số hiệu quả tro bay (k) 8 Khối lượng chất kết dính, kg 9 Khối lượng xi măng quy đổi 400 73 1106 172 700 4,00 0,55 473 40 390 96 1106 172 685 3,90 0,52 486 50 380 125 1106 172 665 3,80 0,48 505 60 370 160 1106 172 640 3,70 0,44 530 70 440 0 1106 172 740 4,40 0 440 0

440 440 440 440 440 10 Tổng khối lượng xi măng sau quy đổi (Σ Xqđ=XFC + k.F), kg

Hình 2.4 – Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số f’c / Rtk n và tỷ lệ tro bay (f)

11 Tỷ lệ tro bay / CKD, % 12 Tỷ lệ xi măng / CKD, % Tỷ lệ tro bay / xi măng, % 13 14 Tỷ lệ N / CKD 15 Tỷ lệ nước / xi măng quy đổi 30 70 43 0,32 0,39 25 75 33 0,34 0,39 20 80 25 0,35 0,39

0 15 100 85 0 18 0,36 0,39 0,39 0,39 Từ số liệu Bảng 2.6, phân tích theo Hình 2.5: khi đưa hệ số k vào trong công thức tính toán thành phần vật liệu theo nguyên tắc với các tỷ lệ tro bay khác nhau, nhưng tổng khối lượng xi măng quy đổi (ΣXqđ=XFC + k.F) là không đổi để các loại bê tông đều đạt được cường độ thiết kế yêu cầu. Nhận xét: Ở cùng một tỷ lệ tro bay (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 bê tông FCk-EN với các tỷ lệ f bằng 15 % và 20 % có khối lượng xi măng tương ứng là 412 kg/m3 và 401 kg/m3 lớn hơn theo quy định đối làm mặt đường ô tô là 400 kg/m3.

9 10

(tiếp theo) Bảng 3.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm Tên chỉ tiêu

TT + Thời gian bắt đầu đông kết + Thời gian kết thúc đông kết 3 3 3 3 3 3 3 3

5 Nhiệt độ tỏa ra trong bê tông 3 - - 3

6 Cường độ nén (ASTM C39) + Cường độ nén ở 7 ngày + Cường độ nén ở 14 ngày + Cường độ nén ở 28 ngày + Cường độ nén ở 56 ngày 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

7 Mô đun đàn hồi (ASTM C469) 6 6 6 6

8 Cường độ kéo uốn (ASTM C78) 6 6 6 6

9 Độ mài mòn (TCVN 3114:1993) 6 6 6 6 Hình 2.5. Biểu đồ khối lượng thành phần vật liệu bê tông FC và bê tông PC 2.5. Kết luận chương 2 (1). Đã xây dựng mô hình lý thuyết để xác định hệ số hiệu quả k. (2). Kết quả thí nghiệm và phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay hệ số k: 10 Độ thấm nước (TCVN 3116:1993) Số lượng mẫu 3 3 6 mẫu - 120 mẫu 6 6 6 6 30 mẫu 6 30 mẫu 6 30 mẫu 6 30 mẫu 6 6 6 6 6

+ Với tỷ lệ tro bay bằng 15 %, hệ số k đạt cực đại. Với tỷ lệ tro bay lớn hơn 15 % hệ số k giảm dần, khi đó hệ số k phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ tro bay (f) và có giá trị như sau: 3.1. Thí nghiệm tính công tác hỗn hợp bê tông 3.1.1. Độ sụt

+ 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. Bảng 3.2 – Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông BTXM tro bay (FC) TT Độ sụt (mm)

(3). Đã thiết lập phương pháp thiết kế thành phần vật liệu BTXM tro bay theo hệ số k (gồm 8 bước). (4). Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về việc thành phần BTXM tro bay làm mặt đường ô tô với tỷ lệ tro bay (loại F) có thể sử dụng từ 15 ÷ 30 %.

Chương 3. THÍ NGHIỆM MỘT SỐ TÍNH NĂNG CỦA BTXM TRO BAY LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 1 Độ sụt SN (0 phút) 2 Độ sụt (sau 45 phút) 3 Độ sụt (sau 60 phút) 4 5 6 FC15 47,0 31,5 24,3 15,5 22,7 1,1 FC20 53,5 41,4 33,9 12,1 19,6 1,3 FC25 59,0 48,3 42,5 10,7 16,5 1,4 FC30 64,5 54,9 50,1 9,6 14,4 1,5 Bê tông PC 42,4 23,2 16,4 19,2 26,0 1,0 Tổn thất độ sụt sau 45 phút Tổn thất độ sụt sau 60 phút Tỷ số SNFC / SNPC Với công thức thành phần vật liệu đã xác định trong chương 2, tiến hành thí nghiệm một số tính năng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô như sau:

Bảng 3.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm Tên chỉ tiêu Số lượng mẫu

PC 0 % FC15 FC20 FC25 FC30 30 % 15 % 25 %

3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Hình 3.1. Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông TT 1 Ký hiệu loại bê tông 2 Tỷ lệ tro bay / chất kết dính 3 Độ sụt (TCVN 3016:1993) + Độ sụt (0 phút) + Độ sụt (sau 45 phút) + Độ sụt (sau 60 phút) 4 Đông kết (TCVN 6017:1995) 20 % 45 mẫu 3 3 3 30 mẫu

11 12

Nhận xét: Độ sụt tăng theo tỷ lệ tro bay, so với bê tông PC thì độ sụt bê tông FC tăng từ 1,1 ÷ 1,5 lần. Tro bay đã cải thiện và duy trì ổn định độ sụt bê tông do có hạt dạng hình tròn, mịn hơn xi măng và lượng cacbon thấp. 3.1.2. Thời gian đông kết Bảng 3.3 – Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết chất kết dính

TT Thời gian đông kết (phút) Hình 3.3. Sự phát triển nhiệt độ tại tâm mẫu bê tông

Thời gian bắt đầu – kết thúc

Xi măng và tro bay FC15 FC20 FC25 FC30 162 137 197 165 35 28 37 12 51 19 145 175 30 20 29 154 187 33 29 41 Xi măng 125 146 21 0 0 1 Bắt đầu tBĐ 2 Kết thúc tKT 3 4 Hiệu số tFC – tPC (bắt đầu) 5 Hiệu số tFC – tPC (kết thúc) Theo lý thuyết, nhiệt độ tỏa ra có quan hệ tuyến tính với tỷ lệ tro bay, do đó xác định được nhiệt độ tỏa ra trong các loại bê tông còn lại như sau: Bảng 3.5 – Kết quả thí nghiệm nhiệt độ tỏa ra trong bê tông BTXM tro bay (FC) TT Nhiệt độ (oC)

1 Nhiệt tỏa ra, ∆T FC15 39,2 FC20 36,5 FC25 33,8 FC30 31,1 Bê tông PC 41,9 3.3. Thí nghiệm sự phát triển cường độ nén bê tông Bảng 3.6 – Tổng hợp kết quả thí nghiệm cường độ nén đặc trưng BTXM tro bay (FC) TT Cường độ nén (MPa) Hình 3.2. Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết

1 2 3 4 7 ngày 14 ngày 28 ngày 56 ngày FC15 35,46 40,86 46,57 49,06 FC20 34,38 39,30 45,92 49,49 FC25 33,13 38,62 45,09 48,42 FC30 32,30 37,84 44,29 46,96 Bê tông PC 38,35 42,93 47,14 48,66

Nhận xét: Thời gian bắt đầu và kết thúc đông kết đều tăng theo tỷ lệ tro bay. So với chất kết dính chỉ có xi măng thì chất kết dính xi măng-tro bay có thời gian bắt đầu chậm 12÷37 phút và kết thúc chậm 19÷51 phút, nguyên nhân do tốc độ phản ứng puzơlan tro bay chậm hơn phản ứng thủy hóa. 3.2. Thí nghiệm nhiệt tỏa ra trong bê tông

Mẫu thí nghiệm đúc trong khuôn có kích thước 250 × 250 × 400 mm, các đầu đo nhiệt được bố trí gồm nhiệt độ tâm; nhiệt độ vách; nhiệt độ tại vị trí cách cạnh bên 100 mm; nhiệt độ trong bể và môi trường. Bảng 3.4 – Kết quả đo nhiệt độ lớn nhất tại tâm các mẫu bê tông Loại bê tông

Thời gian đạt tới nhiệt độ cao nhất (giờ) FC30 20,2 53,4 31,1 48 PC 20,1 64,8 41,9 40

TT 1 Nhiệt độ môi trường (oC) 2 Nhiệt độ cao nhất khối đổ (oC) 3 Nhiệt độ tăng thêm, ∆T (oC) 4 Nhận xét: Nhiệt độ cao 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 nhiệt độ tỏa ra đã giảm được 11,4 0C (17,6 %) và thời gian đạt tới nhiệt độ lớn nhất được kéo dài thêm 8 giờ. Hình 3.4. Biểu đồ phân tích sự phát triển cường độ nén BTXM tro bay Nhận xét: Ở 7 và 14 ngày, cường độ nén bê tông FC nhỏ hơn bê tông PC rõ rệt. Ở 28 ngày, sự chênh lệch được thu hẹp dần (bê tông FC15, FC20 gần

13 14

5.02

4.95

như tương đương). Đến 56 ngày cường độ nén của bê tông có tỷ lệ 15 ÷ 25 % tro bay bằng và thậm chí vượt bê tông PC chứng tỏ phản ứng puzơlan đã phát huy tích cực về mặt cường độ để bù đắp lượng xi măng giảm đi. 3.4. Thí nghiệm cường độ kéo uốn Bảng 3.7 – Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn Nhận xét: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi của 4 loại BTXM tro bay có sự tương đồng về ý nghĩa thống kê. Bê tông FC15, FC20 có mô đun đàn hồi gần tương đương so với bê tông PC; khi tỷ lệ tro bay từ 25 ÷ 30 %, mô đun đàn hồi bê tông FC giảm (tương tự như với cường độ nén). Quan hệ mô đun đàn hồi – cường độ nén theo công thức: Eb = 20.600 (Rn / 10)1/3 (MPa). 3.6. Thí nghiệm độ mài mòn BTXM tro bay (FC) TT Kết quả thí nghiệm Bảng 3.9 – Kết quả thí nghiệm độ mài mòn BTXM tro bay (FC) 1 Cường độ kéo uốn (MPa) FC15 FC20 FC25 4,73 4,77 4,88 FC30 4,67 Bê tông PC 5,01 TT Kết quả thí nghiệm

Phân tích ANOVA về sự khác biệt giữa các nhóm kết quả thí nghiệm Báo cáo tổng hợp

4.91

4.86

5

(Rtb) 4.88

4.77

4.73

4.67

Có sự khác biệt ?

Rku

4.5

0

0.05

0.1 > 0.5

#

Sample

Sự khác biệt Từ các nhóm mẫu

1 Độ mài mòn (g/cm2) FC15 0,224 FC20 0,207 FC25 0,217 FC30 0,250 Bê tông PC 0,236

Yes

No

4

P = 0.098

None Identified

) a P M

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

n ố u

3 Biểu đồ so sánh sự sai khác giữa các giá trị trung bình

FC20 - FC15

Comments

o é k

FC25 - FC15

FC30

ộ đ

2

• 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

g n ờ ư C

1 FC30 - FC20

FC20

FC30 - FC25

0 -0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2 FC15

FC30

FC15

FC25 FC20 Loại bê tông tro bay FC

Hình 3.5. Biểu đồ phân tích kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn

(MPa).

Hình 3.7. Biểu đồ phân tích kết quả thí nghiệm độ mài mòn

Nhận xét: Kết quả phân tích cho thấy, giá trị thống kê P(F) = 0,098 lớn hơn mức ý nghĩa α = 0,05 vì vậy kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn của 4 loại BTXM tro bay có sự tương đồng về thống kê. Cường độ đặc trưng BTXM tro bay có giá trị từ 4,88÷4,67 MPa, lớn hơn so với thiết kế (4,5 MPa) từ 1,037÷1,113 lần. Tương tự cường độ nén, cường độ kéo uốn thấp hơn nhưng không nhiều so với bê tông đối chứng (bằng 93,2÷97,5 %). Giữa Rku và Rn có quan hệ theo công thức: Rku = 0,71.(Rn)1/2 3.5. Thí nghiệm mô đun đàn hồi Nhận xét: 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 hạt tro bay có kích thước 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. 3.7. Thí nghiệm độ thấm nước Bảng 3.8 – Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi Bảng 3.10 – Kết quả thí nghiệm độ thấm nước BTXM tro bay (FC) TT Kết quả thí nghiệm BTXM tro bay (FC) TT Kết quả thí nghiệm 1 Mô đun đàn hồi, GPa FC15 31,05 FC20 30,79 FC25 30,68 FC30 30,33 Bê tông PC 31,11

35

32.62

31.92

31.66

31.60

(Etb) 31.05

30.79

30.68

30.33

(Eb)

1 Độ thấm nước (at.) FC15 20 FC20 22 FC25 21 FC30 18 Bê tông PC 18

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 3.6. Biểu đồ phân tích kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi Hình 3.8. Biểu đồ phân tích kết quả thí nghiệm độ thấm nước

15 16

Bảng 4.1 – Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường (tiếp theo)

TT Chỉ tiêu Yêu cầu Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD (f) 30% 25% 20% 15%

6 0,224 0,207 0,217 0,250 Độ mài mòn, g/cm2 Nhận xét: Độ chống thấm nước của bê tông với tỷ lệ 15÷25% tro bay cao hơn so với bê tông PC do tác dụng của hạt tro bay có kích thước nhỏ làm tăng độ đặc chắc cho hỗn hợp bê tông. Bê tông 30% tro bay không cải thiện được khả năng chống thấm nước. 3.8. Kết luận chương 3 (1). So với BTXM thông thường không tro bay, sử dụng BTXM tro bay 20 39,2 22 36,5 21 33,8 18 31,1 ≤ 0,3 (1) ≤ 0,6 (2) - - làm mặt đường ô tô làm giảm khối lượng xi măng và có các ưu điểm sau: 7 Độ thấm nước, at. 8 Nhiệt độ tỏa ra, 0C - Tro bay cải thiện độ sụt của hỗn hợp bê tông nhờ đó nâng cao chất lượng công tác san rải và đầm nén mặt đường. 9 Kiến nghị sử dụng (Cấp – Quy mô) III - nặng III, IV - trung bình - 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. IV - trung bình; V,VI - nhẹ (2) Đường cấp IV, V, VI - Giảm nhiệt thủy hóa và làm chậm thời gian đạt tới nhiệt độ lớn nhất, Ghi chú: (1) Đường cấp III * Phân tích hiệu quả về môi trường: giúp cho mặt đường tăng cường khả năng kháng nứt ở giai đoạn tuổi sớm. - Bê tông có tỷ lệ tro bay bằng 15 ÷ 25 % đã cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn và chống thấm giúp tăng cường độ bền cho mặt đường. Trung bình cứ 1 km đường nếu sử dụng BTXM tro bay sẽ giảm được (68,3 ÷ 119) tấn CO2 tương đương giảm được 8,9 ÷ 15,5 % lượng khí CO2 thải ra môi trường so với BTXM thông thường không tro bay. - 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).

(2). Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm nêu trên thì bê tông với tỷ lệ tro bay từ 30 % trở lên có cường độ (nén, kéo uốn và mô đun đàn hồi) thấp hơn đáng kể so với BTXM thông thường không tro bay.

Chương 4. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BTXM TRO BAY TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ Hình 4.1. Biểu đồ lượng khí CO2 thải ra môi trường 4.1. Phân tích khả năng ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô

Từ kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý, phân tích đối chiếu với các quy định kỹ thuật về thiết kế và thi công cho thấy BTXM tro bay hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu [12],[13] để làm lớp trên mặt đường như sau: Bảng 4.1 – Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường 4.2. Đề xuất các dạng kết cấu áo đường BTXM tro bay TT Chỉ tiêu Yêu cầu

1 Độ sụt, mm Bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD (f) 30% 64,5 25% 59,0 20% 53,5 15% 47,0 ≥ (20÷60)

Hình 4.2. Mô hình kết cấu áo đường BTXM tro bay

137 145 154 162 2 (90÷600) 165 175 187 197

3 46,57 45,92 45,09 44,29

(a). Quy mô trung bình và nặng (b). Quy mô nhẹ

4 31,05 30,79 30,68 30,33

Theo kết quả kiểm toán, đề xuất chiều dày mặt đường BTXM tro bay như sau: 5 4,88 4,77 4,73 4,67 Thời gian bắt đầu đông kết, phút Thời gian kết thúc đông kết, phút Cường độ nén, MPa Mô đun đàn hồi, GPa Cường độ kéo uốn, MPa ≥ 36 (1) ≥ 30 (2) ≥ 29 (1) ≥ 27 (2) ≥ 4,5 (1) ≥ 4,0 (2)

17 18

Bảng 4.2 – Bảng tổng hợp chiều dày tấm BTXM tro bay 4.3.2.1. Ứng suất uốn vồng Ứng suất uốn vồng (σcurl) xảy ra do chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và TT Cấp thiết kế

)

(

C μ

curl

. ∇ α c 1(2 −

1 Cấp III – quy mô cấp nặng (4.2) mặt dưới của tấm bê tông, được xác định theo công thức [82]: ET . 2 ) μ

2 Cấp III, IV – quy mô giao thông cấp trung bình

−

trong đó: ∇T là chênh lệch nhiệt độ mặt trên và mặt dưới tấm (°C); μ là hệ số Poisson; E là mô đun đàn hồi (MPa); Cx, Cy là các hệ số phụ thuộc vào bán kính độ cứng tương đối; αc là hệ số giãn nở nhiệt bê tông (με/°C). 4.3.2.2. Ứng suất kéo dọc trục 3 Cấp V, VI – quy mô cấp nhẹ Loại BTXM tro bay FC15 FC15 FC20 FC25 FC30 FC30 Chiều dài tấm (m) 5,0 4,75 4,5 25 25 25 22 22 22 23 23 23 23 23 23 24 24 24 21 21 21 Biến dạng dọc trục của tấm bê tông bao gồm biến dạng dọc trục do nhiệt 4.3. Cường độ và ứng suất mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm thủy hóa (εz) và do co ngót dẻo (εsh) được tính theo các công thức sau [83]:

[ ( T

]

, tz

, fz

) z − Δ s

∑

.αε = c

(4.3)

Giai đoạn tuổi sớm của bê tông được định nghĩa là khoảng thời gian trong vòng 72 giờ sau khi đổ bê tông. Dưới tác dụng của nhiệt độ thủy hóa, điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió) làm phát sinh 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.

∇=

. ε s

ε sh

∞

E ( χ ( tE

+ +

-0,08. Rn

600 ) ) τ sh trong đó: ∇M – gradient độ ẩm (%); t0 là tuổi bê tông khi bê tông bắt đầu khô (ngày); εs∞ là hệ số co ngót; τsh là biến dạng bê tông trong ½ ngày, τsh = kt.(ks.h)2; h – chiều dày tấm bê tông (mm); ks là hệ số mặt cắt ngang tấm, -0,25 (ngày/mm2); Rn là cường tấm bản ks = 1,0; kt là hệ số kt = 190.8.t0 độ nén bê tông (MPa); χ là tuổi bê tông ở ngày thứ 7.

trong đó: h là chiều dày tấm bê tông (mm); Tz,t là nhiệt độ tại độ sâu z (mm) và thời điểm t (0C); Tz,f-s là nhiệt độ tại độ sâu z và thời điểm kết thúc đông kết (0C); Δz là độ sâu từ bề mặt xuống tới vị trí tính toán (mm). Biến dạng do co ngót [51]: (4.4)

ER . F

eff

axial

eff

E 0 EJ t

Ứng suất kéo dọc trục sinh ra khi biến dạng dọc trục của bê tông bị cản Hình 4.3. Giai đoạn tuổi sớm của bê tông (4.5) trở một phần hoặc toàn phần bởi mối nối tấm và ma sát với lớp móng: ( ) .εε + 4.3.1. Cường độ chịu kéo của bê tông tuổi sớm Cường độ chịu kéo bê tông phát triển nhờ quá trình thủy hóa xi măng và trong đó: RF – hệ số xét đến chuyển vị tự do của tấm, 0 ≤ RF ≤ 1.

t R = 28

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

(4.1) Eeff – mô đun đàn hồi có xét đến từ biến: E0 – mô đun đàn hồi bê tông ở 28 ngày; Jt – hệ số từ biến. được xác định theo công thức [82]: ⎛ − ψψ t gh ⎜ ⎜ − ψψ ⎝ 28 4.3.2.3. Ứng suất lớn nhất trong tấm bê tông

Ψ28; Ψt – mức độ thủy hóa tại ở 28 ngày và thời điểm t; Ψgh – mức độ thủy hóa giới hạn; Ψgh = 0,43 × (N / X). Ứng suất lớn nhất trong tấm bê tông [σt] 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, được xác định như sau:

) .

eff

curl

top

]

Max

[ σ t

top .

. ER F +

bot

eff

curl

bot

trong đó: R28; Rt – cường độ bê tông ở 28 ngày và thời điểm t (giờ); 4.3.2. Ứng suất trong mặt đường bê tông tuổi sớm (4.6)

( + εε ⎧ ⎪ sh ⎨ . ER ε ⎪⎩ F

⎫ ⎪ ⎬ ⎪⎭

trong đó: σcurl,top; σcurl,bot – ứng suất kéo uốn tại mặt trên và mặt dưới trong 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).

19 20

4.4. Phân tích ảnh hưởng của tro bay đến cường độ và ứng suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm tấm bê tông, tính theo công thức (4.2); εtop, εbot – biến dạng dọc trục tại vị trí mặt trên và mặt dưới tấm, tính theo công thức (4.3). 4.3.2.4. Điều kiện kiểm toán ứng suất trong mặt đường bê tông tuổi sớm [σt ] < Rt

(4.7) trong đó: [σt] – ứng suất kéo lớn nhất theo (4.6) và Rt – cường độ chịu kéo giới hạn theo (4.1). Nội dung tính và kiểm toán ứng suất trong mặt đường bê tông tuổi sớm được trình bày tóm tắt theo sơ đồ khối như sau:

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. Nội dung Mục 4.4 này lựa chọn loại mặt đường ô tô cấp III, IV có quy mô giao thông cấp trung bình để tính toán và phân tích bởi vì với cấp đường này sử dụng đầy đủ cả 4 loại BTXM tro bay đã chế tạo, đồng thời còn sử dụng thêm BTXM thông thường để đối chứng. Với các loại mặt đường khác, kết quả tính toán được trình bày tóm tắt trong Mục 4.5.

4.4.1. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến sự phát triển cường độ

Hình 4.5. Ảnh hưởng tro bay đến cường độ ở giai đoạn tuổi sớm

Khi tỷ lệ tro bay / CKD tăng, cường độ chịu kéo giảm. Thời điểm bắt đầu hình thành (4 giờ), cường độ chịu kéo bê tông FC bằng 16,6 ÷ 42,0 % bê tông PC. Nhưng sau đó tốc độ phát triển nhanh lên và đến cuối tuổi sớm (72 giờ), bê tông FC có cường độ chịu kéo bằng 88,9 ÷ 95,2 % bê tông PC.

4.4.2. 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, xác định giá trị ứng suất lớn nhất và vẽ thành biểu đồ cho 5 loại bê tông như Hình 4.6.

Trên Hình 4.6 cho thấy, tương tự như cường độ, khi tỷ lệ tro bay tăng thì ứng suất kéo giảm. Tại 3 điểm cực đại (18; 41 và 65 giờ), ứng suất lớn nhất đều xảy ra ở mặt trên của tấm. So với bê tông PC thì ứng suất trong bê tông FC lúc 18 giờ bằng 76,5 ÷ 88,5 %; đến 41 giờ bằng 81,1 ÷ 91,2 % và đến 65 giờ bằng 86,8 ÷ 94,4 %.

Hình 4.4. Sơ đồ tính và kiểm toán ứng suất mặt đường ở giai đoạn tuổi sớm

21 22

Hình 4.8. 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 Hình 4.6. Ảnh hưởng tro bay đến ứng suất kéo

4.4.3. Ảnh hưởng tro bay đến khả năng kháng nứt mặt đường tuổi sớm Tính tỷ số giữa ứng suất kéo lớn nhất và cường độ chịu kéo của bê tông ([σt]/Rt), nếu tỷ số lớn hơn 100% thì mặt đường có nguy cơ xảy ra nứt. Tiến hành tính cường độ và ứng suất cho các loại kết cấu áo đường BTXM tro bay như đã đề xuất (Mục 4.2). Kết quả xác định cường độ và ứng suất tại thời điểm nguy hiểm nhất (41 giờ) được tổng hợp như sau: Bảng 4.3 – Tổng hợp kết quả kiểm toán ứng suất trong các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay ở giai đoạn tuổi sớm

TT Thông số Cấp thiết kế Chiều dài tấm (m) 5,0 4,75 4,5 A Đường cấp III – quy mô giao thông cấp nặng

1 Bê tông FC15 25 1,425 1,639 Đạt 25 1,454 1,639 Đạt 25 1,474 1,639 Đạt Chiều dày tấm (cm) Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) Kiểm toán [σ41h] < R41h B Đường cấp III, IV – quy mô giao thông cấp trung bình

1 Bê tông FC15

Hình 4.7. Biểu đồ tỷ số ứng suất kéo lớn nhất / cường độ chịu kéo 2 Tại thời điểm nguy hiểm nhất lúc 41 giờ có tỷ số ứng suất kéo lớn nhất / Bê tông FC20 cường độ kéo của 5 loại bê tông đều đạt giá trị lớn nhất. Trong đó: + Bê tông xi măng (PC), tỷ số [σ41h]/ R41h > 100%, mặt đường có nguy cơ xảy ra nứt tại mặt trên của tấm. 3 Bê tông FC25

4 Bê tông FC30 22 1,557 1,633 Đạt 23 1,511 1,577 Đạt 23 1,456 1,543 Đạt 24 1,399 22 1,586 1,633 Đạt 23 1,534 1,577 Đạt 23 1,477 1,543 Đạt 24 1,418 22 1,607 1,633 Đạt 23 1,543 1,577 Đạt 23 1,492 1,543 Đạt 24 1,430 Chiều dày tấm (cm) Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) Kiểm toán [σ41h] < R41h Chiều dày tấm (cm) Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) Kiểm toán [σ41h] < R41h Chiều dày tấm (cm) Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) Kiểm toán [σ41h] < R41h Chiều dày tấm (cm) Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) + BTXM tro bay (FC) có tỷ số [σ41h]/ R41h < 100% nên không xảy ra nứt. Như vậy sử dụng tro bay đã làm giảm đồng thời cả cường độ và ứng suất. Trong đó mức độ giảm của ứng suất kéo nhiều hơn cường độ chịu kéo nên nên mặt đường BTXM tro bay ít có nguy cơ xảy ra nứt so với mặt đường BTXM thông thường không tro bay.

23 24

+ Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 35 ÷ 70 %): hệ số k = 0,40 ÷ 0,27. (tiếp theo) Bảng 4.3 – Tổng hợp kết quả kiểm toán ứng suất trong các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay ở giai đoạn tuổi sớm

TT Thông số Cấp thiết kế

X FC

f −

(1 +

f )1 −

(kg) Chiều dài tấm (m) 4,75 1,502 Đạt 5,0 1,502 Đạt 4,5 1,502 Đạt Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) Kiểm toán [σ41h] < R41h (3). 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: 1 − và (1 k + C Đường cấp V, VI – quy mô giao thông cấp nhẹ trong đó: X0 là lượng xi măng trong BTXM thông thường không tro bay.

1 Bê tông FC30 21 1,478 1,491 Đạt 21 1,486 1,491 Đạt 21 1,489 1,491 Đạt Chiều dày tấm (cm) Ứng suất kéo, [σ41h] (MPa) Cường độ chịu kéo, R41h (MPa) Kiểm toán [σ41h] < R41h

(4). 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 như sau: 4.6. Kết luận chương 4

1. BTXM tro bay có khả năng đáp ứng các yêu cầu về cường độ, độ mài mòn, tính công tác để làm lớp mặt đường ô tô. Thông qua tính và kiểm toán kết cấu áo đường, đề xuất chiều dày tấm mặt đường BTXM tro bay có chiều rộng bằng 3,5 m; chiều dài điển hình từ 4,5 ÷ 5,0 m như sau: + Đường ô tô cấp III quy mô giao thông cấp nặng có thể sử dụng bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD là 15%. Đường ô tô cấp III, IV quy mô giao thông cấp trung bình có thể sử dụng bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD từ 15 ÷ 30 %. Đường cấp V, VI quy mô giao thông cấp nhẹ nên sử dụng bê tông có tỷ lệ tro bay / CKD là 30 %.

(5). Đã nghiên cứu tính toán cường độ, ứng suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm và phân tích ảnh hưởng của tro bay đến việc cải thiện đáng kể khả năng kháng nứt mặt đường trong giai đoạn này như sau: + Đường cấp III quy mô giao thông cấp nặng có thể sử dụng bê tông 15% tro bay với chiều dày 25 cm. Đường cấp III, IV quy mô giao thông cấp trung bình có thể sử dụng bê tông 15 ÷ 30 % tro bay với chiều dày 22 ÷ 24 cm. Đường cấp V, VI quy mô giao thông cấp nhẹ có thể sử dụng bê tông 30 % tro bay với chiều dày 21 cm.

2. Ở giai đoạn tuổi sớm (72 giờ sau khi đổ bê tông), tro bay có tác dụng làm giảm ứng suất kéo (8,8÷18,9 %) lớn hơn so với mức độ giảm cường độ (6,2÷13,7 %), nhờ đó đã tăng cường khả năng kháng nứt cho mặt đường. + Từ kết quả thí nghiệm và tính toán cho thấy, bê tông có tỷ lệ tro bay / chất kết dính từ 15 ÷ 30 % đã làm giảm ứng suất kéo lớn nhất từ 8,8 ÷ 18,9 % so với bê tông không có tro bay. Trung bình cứ thêm 5% tro bay thì giảm được 4,7 % ứng suất kéo lớn nhất. II. Những hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

(1). Nghiên cứu của luận án có tính định hướng với một số loại vật liệu nhất định, vì vậy sẽ tiếp tục hướng nghiên cứu mở rộng cho các loại vật liệu khác (tro bay loại C và xi măng hỗn hợp PCB).

−

1)1

(

+−

Các kết quả đạt được của Luận án được trình bày như sau: (1). Đã phân tích cơ chế phản ứng thủy hóa và phản ứng puzơlan; phân tích ảnh hưởng của tro bay đến các tính năng bê tông xi măng, trong đó ảnh hưởng về mặt cường độ được thể hiện bằng hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông (k). (2). Đã xây dựng mô hình để xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê (2). Nội dung thiết kế chế tạo thành phần vật liệu và thử nghiệm các tính năng của BTXM tro bay cho đường ô tô cấp III và cấp IV trở xuống. Vì vậy sẽ tiếp tục nghiên cứu giải pháp để ứng dụng làm các loại mặt đường cấp cao, đường cao tốc hoặc làm các lớp móng mặt đường.

tông (k) trên cơ sở công thức cường độ nén của Bolomey cải tiến như sau: )5,01( ω f (3). Kích thước tấm BTXM tro bay được lựa chọn theo quy định kỹ thuật về thiết kế mặt đường BTXM (Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT), sẽ tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm về trường nhiệt và giãn nở nhiệt trong BTXM tro bay để tính toán thiết kế kích thước tấm cho phù hợp. 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 hiệu quả k với nguồn vật liệu tro bay ở nước ta và đề xuất giá trị như sau: + Với tỷ lệ tro bay / CKD (f = 15 ÷ 35 %): hệ số k = 0,70 ÷ 0,40; (4). Luận án chủ yếu nghiên cứu trong phòng thí nghiệm mà chưa có điều kiện kiểm nghiệm hiện trường. Vì vậy cần xây dựng chương trình áp dụng thử nghiệm hiện trường kết cấu mặt đường BTXM tro bay để so sánh đối chiếu với các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ

1. Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu, “Khả năng ứng dụng bê tông tro bay trong xây dựng mặt đường ô tô ở Việt Nam”, Tạp chí Giao thông vận tải số chuyên đề Hội thảo Khoa học Công nghệ Kỹ thuật giao thông, tháng 4 năm 2014. 2. Trần Trung Hiếu,“Nghiên cứu đánh giá mức độ phản ứng hóa học trong bê tông tro bay làm mặt đường ô tô”, Tạp chí Cầu đường số 10 năm 2014. 3. Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu, “Ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay và nước / chất kết dính đến hiệu quả tro bay trong bê tông”, Tạp chí Giao thông vận tải số chuyên đề Hội nghị Khoa học Công nghệ giao thông vận tải lần thứ III, tháng 10 năm 2015. 4. Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu “Thiết kế thành phần bê tông tro bay theo hệ số hiệu quả (k) và chế tạo thử nghiệm bê tông làm mặt đường ô tô”, Tạp chí Người xây dựng số 289 & 290 tháng 11 & 12 năm 2015. 5. Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu, Lã Văn Chăm, “Nghiên cứu thử nghiệm một số các tính năng của bê tông tro bay làm mặt đường ô tô”, Tạp chí Người xây dựng số tháng 01 & 02 năm 2016. 6. Trần Trung Hiếu, Phạm Duy Hữu, Nguyễn Thị Giang “Nghiên cứu ảnh hưởng của tro bay đến nhiệt độ bê tông mặt đường ô tô”, Tạp chí Cầu đường số 6 năm 2016. 7. Trần Trung Hiếu, Nguyễn Văn Tươi, Đào Phúc Lâm “Nghiên cứu giải pháp tăng cường khả năng kháng nứt mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm”, Tạp chí Giao thông vận tải Kỷ yếu Hội thảo nhà khoa học trẻ ngành GTVT năm 2016, số đặc biệt, năm 2017.