Thạc Sĩ Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp cát xay – cát tự nhiên khu vực Đông Nam Bộ làm mặt đường bê tông xi măng

MỤC
LỤC
Danh mục hình ảnh, biểu đồ
Danh mục các bảng
Danh mục các chữ viết tắt
Trang
Mở đầu: 01
Lý do lựa chọn đề tài 05
Mục đích nghiên cứu 05
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu .06
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .06
Cấu trúc của đề tài .06
Những đóng góp của đề tài trong lĩnh vực chuyên ngành 07
Chương 1: Tổng quan về bê tông xi măng và sử dụng cát xay–
cát tự nhiên sản xuất bê tông xi măng trong xây
dựng đường ô tô . 09
1.1 Giới thiệu chung .09
1.2 Tổng quan các nghiên cứu sử dụng cát tự nhiên và cát xay
để sản xuất bê tông xi măng 12
1.2.1 Các nghiên cứu sử dụng cát tự nhiên để sản xuất bê tông
xi măng ở trên thế giới và tại Việt Nam .13
1.2.2 Các nghiên cứu và các công trình ứng dụng bê tông xi măng
dùng cát xay ở trên thế giới và tại Việt Nam .16
1.2.3 Hướng sử dụng hợp lý cát địa phương để sản xuất bê tông xi
măng dùng trong xây dựng đường ô tô ở khu vực Đông Nam
Bộ .21
1.2.4 Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của đề tài 23
1.3 Các yêu cầu của bê tông xi măng làm đường ô tô 23
1.4 Một số lý thuyết thành phần hạt của cốt liệu trong bê tông 25
-II-
1.5 Nguyên lý hình thành cường độ và các yếu tố ảnh hưởng tới
cường độ của bê tông xi măng .26
1.5.1 Sự hình thành cấu trúc của bê tông xi măng 27
1.5.2 Cấu trúc của bê tông xi măng 28
1.5.3 Các giai đoạn hình thành cấu trúc vi mô của hỗn hợp BTXM 34
1.5.4 Các hướng kỹ thuật làm tăng cường độ dính và cường độ vữa XM .35
1.6 Các phương pháp thiết kế thành phần BTXM sử dụng cát xay 35
1.6.1 Thiết kế thành phần BT theo phương pháp Bolomey-Skramtaev 35
1.6.2 Thiết kế thành phần bê tông theo TCXDVN 322:2004 36
1.6.3 Thiết kế thành phần bê tông theo quy hoạch thực nghiệm .36
1.7 Mục tiêu của đề tài .37
1.8 Nội dung nghiên cứu 37
1.9 Phương pháp nghiên cứu .38
Chương 2 : Thuộc tính của vật liệu dùng chế tạo bê tông xi
măng và cát xay khu vực Đông Nam Bộ 39
2.1 Đặt vấn đề .39
2.2 Thực trạng của nguồn cung ứng vật liệu chế tạo bê tông xi
măng khu vực Đông Nam Bộ 40
2.2.1 Thực trạng nguồn cung cấp xi măng 40
2.2.2 Thực trạng nguồn cung cấp đá dăm .43
2.2.3 Các nguồn vật liệu cát tự nhiên vùng Đông Nam Bộ .51
2.2.4 Nước .60
2.2.5 Phụ gia bê tông 61
2.3 Cát xay khu vực Đông Nam Bộ 62
2.3.1 Đặt vấn đề 62
2.3.2 Các chỉ tiêu cơ lý của cát xay tại các mỏ đặc trưng khu
vực Đông Nam Bộ .64
2.3.3 Thành phần hạt của cốt liệu nhỏ khi phối trộn cát xay và
cát tự nhiên với các tỷ lệ khác nhau .69
-IIIKết
luận chương 2 .72
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm về bê tông xi măng sử
dụng hỗn hợp cát xay và cát tự nhiên 73
3.1 Đặt vấn đề .73
3.2 Cơ sở lý thuyết và tính toán thành phần chế tạo bê tông xi
măng sử dụng hỗn hợp cát xay và cát tự nhiên 74
3.2.1 Cơ sở lý thuyết 74
3.2.2 Tính toán thành phần chế tạo bê tông xi măng sử dụng cát xay và
cát tự nhiên 78
3.2.3 Thiết kế thành phần của bê tông xi măng sử dụng hỗn hợp cát xay
và cát tự nhiên .84
3.3 Thực nghiệm xác định một số tính chất của bê tông xi măng sử
dụng hỗn hợp cát xay và cát tự nhiên .90
3.3.1 Thành phần BTXM sử dụng hỗn hợp cát xay và cát tự nhiên 90
3.3.2 Công tác chuẩn bị và lập kế hoạch, triển khai thí nghiệm 90
3.3.3 Kết quả thí nghiệm xác định tính chất của bê tông tươi và sự phát
triển cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi của
bê tông xi măng .93
3.3.4 Xác định độ lệch chuẩn và hệ số phân tán của kết quả thí nghiệm
về cường độ của bê tông xi măng 97
3.3.5 Khả năng chống mài mòn cuả bê tông xi măng 98
3.3.6 Cấu trúc của bê tông xi măng 100
3.3.7 Thiết lập các mối quan hệ từ các tính chất cơ học cuả BTXM .101
Kết luận chương 3 .103
Chương 4: Nghiên cứu sử dụng cát xay, hỗn hợp cát xay – cát tự
nhiên và phụ gia trong xây dựng mặt đường bê tông xi măng .105
4.1 Mở đầu 105
4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn trong cát xay đến tính chất của
bê tông xi măng .105
4.2.1 Đặt vấn đề .105
-IV-
4.2.2 Các nghiên cứu liên quan đến ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn
trong cát xay đến các tính chất của bê tông xi măng 106
4.2.3 Kết quả thí nghiệm và phân tích 107
4.2.4 Tìm tỷ lệ hạt mịn tối ưu trong cát xay để sản xuất BTXM 112
4.3 Nghiên cứu sử dụng phụ gia sản xuất BTXM dùng hỗn hợp cát xay
và cát tự nhiên trong xây dựng đường ô tô 114
4.3.1 Sự cần thiết sử dụng phụ gia sản xuất bê tông dùng hỗn hợp cát
trong xây dựng đường ô tô .114
4.3.2 Công tác chuẩn bị, lập kế hoạch và triển khai thí nghiệm 116
4.3.3 Kết quả thí nghiệm và đánh giá .118
4.4 Nghiên ứng dụng bê tông xi măng sử dụng hỗn hợp cát xay và cát
tự nhiên trong xây dựng kết cấu áo đường ô tô 122
4.4.1 Mở đầu 122
4.4.2 Mặt đường cứng và các tính năng cơ học của vật liệu xây dựng
mặt đường cứng .123
4.4.3 Đề xuất các kết cấu áo đường bê tông xi măng sử dụng hỗn hợp
cát xay và cát tự nhiên .130
4.5 Phân tích hiệu quả kinh tế .132
Kết luận chương 4 135
Kết luận, kiến nghị và dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo 137
A. Kết luận .137
B. Kiến nghị và dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo 140
Các công trình đã công bố của tác giả
Tài liệu tham khảo
Phần phụ lục

MỞ ĐẦU
Từ cuối thế kỷ thứ XIX nền kinh tế tư bản chủ nghĩa có những bước tiến nhảy vọt, việc xây dựng nhà máy, đường xá, cầu cống ngày càng nhiều nên cần phải có loại vật liệu xây dựng mới bền - ổn định, cùng với sự xuất hiện của chất kết dính vô cơ là xi măng poóc lăng đã cho ra đời loại vật liệu xây dựng có những tính chất nổi bật và ngày càng được sử dụng rộng rãi để xây dựng cơ sở hạ tầng cho xã hội, đó là bê tông xi măng. Cấu kiện làm từ bê tông xi măng có thể được đúc thành bất kỳ hình dạng nào, khả năng chịu nén tốt, vật liệu chế tạo bê tông chủ yếu có ở địa phương nên giá thành rẻ, chúng được sử dụng khá phổ biến để xây dựng kết cấu mặt đường ôtô vì có những ưu
điểm: Cường độ chịu nén cao, tuổi thọ dài, biến dạng nhỏ, ít thay đổi tính chất khi chịu tác động của nhiệt độ và nước, ít bị hao mòn, có màu sáng nên tăng sự an toàn chạy xe ban đêm, công tác duy tu bảo dưỡng ít, dễ cơ giới hóa trong thi công Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp sản xuất xi măng nên thúc đẩy sử dụng mặt đường bê tông xi măng ngày càng nhiều hơn.
Việt Nam là một quốc gia đang trong giai đoạn phát triển, xây dựng đất nước theo hướng công nghiệp hoá - hiện đại hoá, xây dựng đời sống xã hội phát triển nhằm theo kịp các nước tiên tiến trong khu vực và trên thế giới.
Nhiệm vụ đặt ra lúc này là phải xây dựng hệ thống kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội hoàn chỉnh, đồng bộ. Trong đó hạ tầng giao thông đường bộ là bộ phận quan trọng trong kết cấu hạ tầng xã hội nói chung và kết cấu hạ tầng giao thông nói riêng cần được phát triển, ưu tiên đi trước một bước so với các ngành khác. Để tạo tiền đề, làm động lực phát triển kinh tế xã hội, phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa của đất nước, đáp ứng quá trình hội nhập khu vực và quốc tế, góp phần đảm bảo an ninh, quốc phòng của đất nước. Trong kết cấu hạ tầng giao thông nói chung thì bê tông xi măng chiếm một khối lượng lớn hơn cả, được dùng phổ biến để xây dựng các công trình cơ sở hạ tầng cho xã hội trong đó có các công trình Giao thông Vận tải.
Biến đổi khí hậu trong đó có nước biển dâng đã được khẳng định là nguy cơ thách thức lớn nhất mà con người phải đối diện trong thế kỷ này. Những tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu là không thể đảo ngược và chúng ta cần đưa ra các giải pháp ứng phó thích hợp. Khu vực Đông Nam Bộ có điều kiện khí hậu, thời tiết nhiệt đới nóng ẩm rất đặc trưng, địa hình bằng phẳng tương đối thấp nên thường xuyên bị ngập nước, chịu ảnh hưởng tiêu cực của nước thủy triều nên việc sử dụng bê tông xi măng để xây dựng đường ô tô như là
một lựa chọn tối ưu.
Bê tông xi măng là một loại đá nhân tạo mà thành phần của nó bao gồm: Xi măng, cốt liệu hạt thô, cốt liệu nhỏ, nước và có thể có thêm phụ gia, chất bổ trợ khác. Cốt liệu là thành phần được sử dụng trong bê tông có thể có tác động đáng kể trên các thuộc tính về trạng thái cứng và dẻo của bê tông [70]. Cốt liệu có thể chiếm đến 70  80 % thể tích của hỗn hợp bê tông và nó ảnh hưởng nhiều đến các tính chất của bê tông.
Xây dựng cơ sở hạ tầng nói chung và xây dựng đường ô tô nói riêng cần khối lượng lớn vật liệu xây dựng. Một trong những nguyên tắc cơ bản trong thiết kế, xây dựng đường ô tô là tận dụng vật liệu địa phương nhằm giảm chi phí xây dựng công trình. Khi chế tạo bê tông xi măng, ngoài chất liên kết là xi măng, phụ gia để nâng cao cường độ và chất lượng cho bê tông thì những vật liệu thô như đá các loại, cốt liệu nhỏ là cát tự nhiên hạt to đã là những vật liệu quen dùng và được sử dụng rộng rãi. Cát tự nhiên có nguồn gốc từ các lòngsuối, lớp trầm tích phù sa, trầm tích biển. Hiện nay, cát tự nhiên thích hợp cho sản xuất bê tông ngày càng trở nên khan hiếm: Theo Hội Vật liệu Xây dựng Việt Nam thì năm 2011 nhu cầu cát xây dựng khoảng 100 triệu m3/năm và đến năm 2015 sẽ là khoảng 136 triệu m3/năm. Để thỏa mãn yêu cầu quy trình hiện hành và thói quen truyền thống người ta thường dùng cát tự nhiên hạt to đạt các yêu cầu qui định để chế tạo bê tông xi măng. Với nhu cầu xây dựng đường quốc lộ, cao tốc, đường giao thông nông thôn bằng bê tông xi măng ngày một phổ biến và đòi hỏi yêu cầu về chất lượng mặt đường ngày càng cao trong khi tại một số địa phương, một số vùng lãnh thổ của nước ta nguồn cung
cấp cát tự nhiên tốt ngày càng cạn kiệt hoặc giá thành vận chuyển đến chân công trình cao và trong tương lai gần thì nguồn cát này sẽ không còn. Việc khai thác cát tự nhiên hạt to quá mức, bừa bãi làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái, gây sạt lở bờ sông, ảnh hưởng đến các khu vực dân cư và các công trình dọc sông. Tại khu vực phía Nam vấn đề càng trở nên
trầm trọng hơn, nguyên nhân chủ yếu do các tỉnh siết chặt việc khai thác cát trên sông Hậu, nguồn cát hạt to, hạt trung trên sông Đồng Nai và các vùng phụ cận đã suy giảm. Mặt khác quá trình khai thác đã ảnh hưởng xấu đến môi trường nên đã bị buộc phải hạn chế hoặc ngừng khai thác, phía Campuchia thì dừng xuất khẩu cát, còn các nguồn cát khác cung ứng cho khu vực có khối lượng nhỏ không đáng kể hoặc chất lượng không đảm bảo để sản xuất bê tông xi măng.
Đã có các công trình nghiên cứu, ứng dụng bê tông xi măng sử dụng cát mịn, cát biển, cát nhân tạo thay cát tự nhiên hạt to trên thế giới đã giải quyết được nhiều vấn đề kỹ thuật và đạt được nhiều thành tựu đáng kể. Tại Việt Nam các kết quả nghiên cứu chủ yếu đề cập đến cát mịn, cát biển thay thế cáttự nhiên hạt to nhưng ứng dụng các kết quả nghiên cứu này vào xây dựng mặt đường ô tô còn những hạn chế nhất định. Việc sử dụng cát nhân tạo (cát xay) trong bê tông thì phần lớn chỉ được nghiên cứu và ứng dụng ở nước ngoài:
Các nhà nghiên cứu tại Viện bê tông Thụy Điển (CBI) và Viện Nghiên cứu Kỹ thuật Thụy Điển (SP) [47] đã tham gia nghiên cứu, ứng dụng liên quan đến cát xay dùng trong bê tông, công việc này đã được thực hiện trong các chương trình hợp tác như chương trình MinBas I (2003  2005), chương trình MinBas II (2010) và chương trình STEM của cơ quan Năng lượng Thụy Điển.
Ở Việt Nam nói chung và khu vực Nam Bộ nói riêng thì ngành công nghiệp này khá mới mẻ. Một vài công trình xây dựng trong khu vực sử dụng cát xay từ đá nhưng chưa hiệu quả, lựa chọn thành phần cấp phối bê tông chưa phù hợp nên chất lượng bê tông không như mong muốn nên cho tới nay cát xay vẫn chưa được sử dụng đại trà trong xây dựng đường ô tô. Với một vùng lãnh thổ có điều kiện thời tiết, khí hậu, đặc biệt là nguồn vật liệu, mục đích sử dụng và trình độ kỹ thuật hoàn toàn khác thì cần phải có công trình nghiên cứu chuyên sâu và chi tiết.
Hiện nay, chúng ta đã có tiêu chuẩn hướng dẫn sử dụng cát nhân tạo dùng trong bê tông và vữa nhưng các yêu cầu kỹ thuật của cát nhân tạo trong tiêu chuẩn này xuất phát từ nghiên cứu phục vụ cho xây dựng thủy điện Sơn La, còn cát xay sử dụng chế tạo bê tông dùng trong xây dựng đường ô tô thì chưa có một nghiên cứu cụ thể nào. Với khu vực Đông Nam Bộ có nguồn cung cấp cát xay khá dồi dào nhưng phần lớn có thành phần hạt lại chưa hợp chuẩn, giá thành cát xay hợp chuẩn là khá đắt. Không những thế việc sử dụng hoàn toàn cát xay có khả năng làm giảm độ sụt và tính hoàn thiện bề mặt của bê tông kém. Với những lý do trên thì việc sử dụng hoàn toàn là cát xay hoặc
cát tự nhiên hạt mịn sản xuất bê tông xi măng làm đường ô tô còn tồn tại những hạn chế nhất định. Vì thế đề tài : “Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp cát xay - cát tự nhiên khu vực Đông Nam Bộ làm mặt đường bê tông xi măng trong xây dựng đường ô tô” là hết sức cần thiết. Nội dung chính đề cập trong luận án là sử dụng hiệu quả loại cát xay có thành phần hạt chưa hợp chuẩn chiếm khối lượng lớn ở khu vực Đông Nam Bộ bằng cách phối trộn với cát mịn tự nhiên có trữ lượng lớn dồi dào theo tỷ lệ hợp lý dùng làm cốt liệu nhỏ thay thế cát tự nhiên hạt to để chế tạo bê tông xi măng trong xây dựng đường ô tô.
Do tính ứng dụng rộng rãi của bê tông xi măng trong các lĩnh vực khác nhau cũng như trong xây dựng đường ô tô ở khu vực Đông Nam Bộ. Trong khi nguồn cát tự nhiên có chất lượng tốt để sản xuất bê tông xi măng ngày càng khan hiếm và giá cả tăng cao là một câu hỏi lớn mà ngành công nghiệp xây dựng trong khu vực phải suy nghĩ. Tìm kiếm giải pháp thay thế hữu hiệu cát tự nhiên là một điều cần thiết. Cát xay là sản phẩm công nghiệp được thực hiện bằng cách xay nghiền đá gốc thành các hạt có kích cỡ từ 140 àm đến 5mm – có thể gọi là cát công nghiệp, cát xay, cát nghiền, cát gia công hay cát nhân tạo có thành phần hạt và các chỉ tiêu kỹ thuật được kiểm soát thỏa mãn
các yêu cầu kỹ thuật quy định.