Luận án Nghiên cứu công nghệ sử dụng đá thải và tro bay nhà máy nhiệt điện gia cố xi măng trong xây dựng đường ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN CAO CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN CAO CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hướng dẫn khoa học: 1. GS. TS. Phạm Huy Khang 2. TS. Nguyễn Văn Nam Hà Nội - 2024 -I- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Cao Cường -II- LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, tôi trân trọng cảm ơn các cơ quan, đơn vị đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Trường Đại học Giao thông vận tải; Văn phòng UBND tỉnh Hải Dương; Phòng Đào tạo Sau đại học; Trung tâm Khoa học công nghệ GTVT; Phòng Thí nghiệm công trình Vilas 047; Khoa Công trình; Bộ môn Đường bộ; Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy hướng dẫn khoa học là GS.TS Phạm Huy Khang và TS Nguyễn Văn Nam. Các Thầy đã định hướng, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Đường bộ, bộ môn Đường ô tô và Sân bay, các nhà khoa học trong và ngoài Trường, các đồng nghiệp đã quan tâm, giúp đỡ, nhận xét, góp ý về mặt chuyên môn cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, nhân viên Phòng thí nghiệm Công trình Vilas 047 đã giúp đỡ tôi thực hiện các thí nghiệm của luận án. Cảm ơn gia đình và bạn bè, những người thân luôn ở bên tôi, ủng hộ và khích lệ tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, tháng 05 năm 2024 Tác giả luận án Nguyễn Cao Cường -III- MỤC LỤC Danh mục hình ảnh, biểu đồ Danh mục các bảng Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu MỞ ĐẦU ......................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG LÀM MÓNG VÀ MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ ........................................ 5 1.1. Đá thải tại các mỏ đá và tình hình sử dụng đá thải trong xây dựng đường ô tô ........... 5 1.1.1. Hệ thống giao thông đường bộ và nhu cầu vật liệu xây dựng ........................... 5 1.1.2. Quy trình khai thác đá tại mỏ ............................................................................ 6 1.2. Tổng quan về tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam .................................. 9 1.2.1. Nguồn gốc tro bay nhà máy nhiệt điện đốt than ............................................... 9 1.2.2. Các đặc trưng của tro bay ................................................................................ 11 1.2.3. Phân loại tro bay .............................................................................................. 12 1.2.4. Tình hình vật liệu tro bay tại Việt Nam........................................................... 15 1.2.5. Tính chất của tro bay nhiệt điện đốt than ở Việt Nam .................................... 15 1.3. Lý thuyết về sử dụng vật liệu đất, đá gia cố chất kết dính vô cơ trong xây dựng mặt đường ô tô .......................................................................................................................... 21 1.3.1. Khái niệm chung về gia cố vật liệu ................................................................. 21 1.3.2. Sự hình thành cường độ của vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ ..................... 22 1.3.3. Sự hình thành cường độ của các lớp vật liệu gia cố xi măng .......................... 25 1.3.4. Sự hình thành cường độ đá thải kết hợp tro bay gia cố xi măng ..................... 26 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về đá, đá thải, tro bay gia cố xi măng làm móng mặt đường ô tô ......................................................................................................... 27 1.4.1. Trên thế giới .................................................................................................... 27 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................... 29 1.5. Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án .................................................................... 33 -IV- 1.6. Mục tiêu và nội dung của đề tài nghiên cứu ............................................................... 34 1.6.1. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................ 34 1.6.2. Nội dung của đề tài nghiên cứu ....................................................................... 35 1.7. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 35 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG LÀM MÓNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ ....................................................................... 36 2.1. Yêu cầu của vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ làm móng đường ô tô ..................... 36 2.1.1. Yêu cầu cơ bản đối với đất gia cố chất kết dính vô cơ theo TCVN 10379:2014 ................................................................................................................................... 36 2.1.2. Yêu cầu vật liệu của cấp phối thiên nhiên và cấp phối đá dăm gia cố xi măng theo TCVN 8858:2011 .............................................................................................. 37 2.2. Thí nghiệm đánh giá hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng ............................... 39 2.2.1. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén ......................................................... 39 2.2.2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo - uốn Rku ......................................... 40 2.2.3. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi E .......................................................... 41 2.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của vật liệu gia cố chất kết dính vô cơ làm móng đường, nền đường đường ô tô ........................................................................................................ 43 2.4. Lựa chọn bãi đá thải và đánh giá chất lượng của đá thải ........................................... 44 2.4.1. Lựa chọn bãi đá thải ........................................................................................ 44 2.4.2. Thí nghiệm xác định thành phần hạt của đá thải ............................................. 45 2.4.3. Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đá thải ......................................... 47 2.4.4. Nhận xét, đánh giá kết quả thí nghiệm đá thải để sử dụng làm vật liệu xây dựng kết cấu mặt đường ..................................................................................................... 48 2.5. Kế hoạch nghiên cứu thực nghiệm ............................................................................. 49 2.5.1. Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu: ................................................................. 50 2.5.2. Các nội dung nghiên cứu ................................................................................. 50 2.5.3. Chế bị mẫu và phương pháp thí nghiệm: ........................................................ 50 2.6. Kết quả thí nghiệm vật liệu thành phần ...................................................................... 51 -V- 2.6.1. Kết quả thí nghiệm vật liệu đá thải sử dụng trong nghiên cứu ....................... 51 2.6.2. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu của tro bay sử dụng trong nghiên cứu .......... 51 2.6.3. Xi măng ........................................................................................................... 52 2.6.4. Nước ................................................................................................................ 53 2.7. Công tác chế bị mẫu và công tác thí nghiệm .............................................................. 53 2.8. Kết quả thí nghiệm và phân tích, đánh giá kết quả thí nghiệm .................................. 58 2.8.1. Kết quả thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén ........ 58 2.8.2. Kết quả thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm cường độ chịu ép chẻ ... 64 2.8.3. Kết quả thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi ............. 71 2.8.4. Tương quan thực nghiệm giữa cường độ ép chẻ, mô đun đàn hồi với cường độ chịu nén của hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng ................................................ 77 2.9. Phân tích ảnh hưởng của tỉ lệ tro bay đến tính chất cơ lý của hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng.................................................................................................................... 78 2.9.1. Cấu tạo và cấu trúc của hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng ..................... 78 2.9.2. Tỉ lệ tro bay hợp lý trong hỗn hợp đá thải, tro bay gia cố xi măng ................. 80 2.10. Kết luận Chương 2.................................................................................................... 82 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ VẬT LIỆU ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG LÀM MÓNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ ................................................................................................................................................. 83 3.1. Quy trình công nghệ khai thác đá làm vật liệu xây dựng ở Việt Nam ....................... 83 3.1.1. Tổng quan về quá trình khai thác đá ............................................................... 83 3.1.2. Công tác đào bóc tầng phủ tạo tuyến khai thác ............................................... 84 3.1.3. Công tác khai đá .............................................................................................. 85 3.1.4. Công tác gia công vật liệu. .............................................................................. 86 3.1.5. Thực trạng công tác gia công cốt liệu ở các mỏ đá ở Việt Nam ..................... 88 3.2. Công nghệ thu gom và xử lý đá thải ........................................................................... 90 3.2.1. Đá thải tại mỏ đá.............................................................................................. 90 3.2.2. Công tác thu gom và xử lý đá thải ................................................................... 91 -VI- 3.2.3. Phối trộn và tính toán tỉ lệ phối trộn ................................................................ 95 3.3. Công nghệ sử dụng hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng làm móng đường và mặt đường ô tô .......................................................................................................................... 96 3.3.1. Thiết kế hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng ........................................ 96 3.3.2. Công nghệ trộn hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng ............................ 97 3.3.3. Công nghệ thi công hỗn hợp đá thải và tro bay gia cố xi măng .................... 102 3.3.4. Theo dõi, kiểm soát vết nứt và giải pháp xử lý vết nứt ................................. 107 3.3.5. Những lưu ý khi thi công ............................................................................... 109 3.4. Kết luận Chương 3.................................................................................................... 109 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MỘT SỐ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG SỬ DỤNG HỖN HỢP ĐÁ THẢI VÀ TRO BAY NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN GIA CỐ XI MĂNG ................. 111 4.1. Nguyên tắc đề xuất và phạm vi áp dụng kết cấu mặt đường .................................... 111 4.1.1. Nguyên tắc đề xuất kết cấu mặt đường ......................................................... 111 4.1.2. Đề xuất phạm vi áp dụng kết cấu mặt đường ................................................ 113 4.2. Lựa chọn phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường ................................................. 113 4.3. Đề xuất kết cấu mặt đường có sử dụng lớp vật liệu đá thải tro bay gia cố xi măng 115 4.3.1. Những lưu ý khi thiết kế cấu tạo kết cấu mặt đường BTXM có lớp móng bằng vật liệu đá gia cố xi măng ........................................................................................ 115 4.3.2. Những lưu ý khi thiết kế cấu tạo kết cấu mặt đường mềm có lớp móng bằng vật liệu đá gia cố xi măng .............................................................................................. 117 4.3.3. Đề xuất kết cấu mặt đường có sử dụng hỗn hợp đá thải tro bay gia cố xi măng ................................................................................................................................. 121 4.4. Thiết kế kiểm chứng với một số kết cấu mặt đường đã đề xuất ............................... 125 4.4.1. Thiết kế kiểm chứng kết cấu mặt đường BTXM đã đề xuất ......................... 125 4.4.2. Thiết kế kiểm chứng kết cấu mặt đường mềm đã đề xuất ............................. 132 4.5. Kết luận Chương 4.................................................................................................... 141 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 142 Các công trình đã công bố Tài liệu tham khảo -VII- DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1. Quy hoạch mạng lưới đường bộ cao tốc ở Việt Nam đến năm 2050 .................. 6 Hình 1.2. Công tác khoan nổ mìn sản xuất đá xây dựng ..................................................... 7 Hình 1.3. Hình ảnh công tác xay nghiền và phân loại đá .................................................... 8 Hình 1.4. Thu hồi tro, xỉ trong nhà máy nhiệt điện ........................................................... 11 Hình 1.5. Kích thước và hình dạng của hạt tro bay [46] ................................................... 12 Hình 1.6. Hình dạng hạt tro bay điển hình của NMNĐ đốt than phun [3] ........................ 18 Hình 1.7. Hình dạng hạt tro bay điển hình của NMNĐ đốt than tầng sôi [3] ................... 18 Hình 1.8. Biểu thị thành phần các chất kết dính vô cơ trên tọa độ tam giác đều [25] ...... 23 Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc mang điện phức tạp của các hạt sét – keo [30] .......................... 24 Hình 2.1. Xác định cường độ chịu kéo gián tiếp bằng ép chẻ mẫu hình trụ ..................... 41 Hình 2.2: Sơ đồ thử nghiệm xác định mô đun đàn hồi ...................................................... 42 Hình 2.3. Hình ảnh lấy mẫu đá thải tại mỏ Sunway – Quốc Oai – Hà Nội ...................... 45 Hình 2.4. Hình ảnh thí nghiệm xác định thành phần hạt của mẫu đá thải ........................ 45 Hình 2.5. Thành phần hạt của đá thải và các loại cấp phối đá dăm. ................................. 46 Hình 2.6. Thành phần hạt của đá thải và các loại cấp phối thiên nhiên ............................ 46 Hình 2.7. Thành phần cấp phối hạt của hỗn hợp đá thải điều chỉnh bằng cách trộn tro bay ........................................................................................................................................... 47 Hình 2.8 Thành phần hạt của tro bay sử dụng thí nghiệm [46] ......................................... 52 Hình 2.10. Một số hình ảnh công tác chế bị mẫu .............................................................. 56 Hình 2.11. Hình ảnh công tác bảo dưỡng mẫu .................................................................. 56 Hình 2.12. Hình ảnh công tác thí nghiệm xác định cường độ chịu nén ............................ 57 Hình 2.13. Hình ảnh công tác thí nghiệm xác định cường độ chịu ép chẻ........................ 57 Hình 2.14. Hình ảnh công tác thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi ................................. 58 Hình 2.15. Biểu đồ tổng hợp cường độ chịu nén của mẫu đá thải tro bay gia cố XM ...... 61 -VIII- Hình 2.16. Biểu đồ Pareto thể hiện các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu nén của hỗn hợp ..................................................................................................................................... 62 Hình 2.17. Các biến ảnh hưởng chính đến cường độ chịu nén của hỗn đá thải tro bay gia cố xi măng ......................................................................................................................... 63 Hình 2.18. Biểu đồ tổng hợp cường độ chịu ép chẻ của mẫu đá thải tro bay gia cố XM 68 Hình 2.19. Biểu đồ Pareto thể hiện các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu ép chẻ của hỗn hợp .............................................................................................................................. 69 Hình 2.20. Các biến ảnh hưởng chính đến cường độ chịu nén của hỗn đá thải tro bay gia cố xi măng ......................................................................................................................... 69 Hình 2.21. Mô đun đàn hồi của mẫu đá thải tro bay gia cố xi măng ở 28 ngày tuổi ........ 74 Hình 2.22. Biểu đồ Pareto thể hiện các yếu tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của hỗn hợp ........................................................................................................................................... 75 Hình 2.23. Các biến ảnh hưởng chính đến mô đun đàn hồi của hỗn đá thải tro bay gia cố xi măng .................................................................................................................................. 75 Hình 2.24. Ảnh mặt cắt mẫu ở hàm lượng XM 5% với các tỉ lệ tro bay khác nhau ......... 80 Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ khai thác đá bằng phương pháp lộ thiên [33] ........................ 84 Hình 3.2. Tổ chức bóc đất và đổ đất vào đường hào đã lấy vật liệu ................................. 84 Hình 3.3. Nổ vi sai theo hàng ngang ................................................................................. 85 Hình 3.4. Sơ đồ nguyên tắc cấu tạo các loại máy nghiền đá khác nhau [23] .................... 86 Hình 3.5. Sơ đồ nghiền với chu kỳ hở và chu kỳ kín [023] .............................................. 87 Hình 3.6. Sơ đồ sàng [23] ................................................................................................. 87 Hình 3.7. Sơ đồ trạm nghiền sàng đá phổ biến nhất ở Việt Nam ...................................... 88 Hình 3.8. Loại trạm nghiền với 3 hàm nghiền và 2 hệ sàng cung cấp cốt liệu ................. 89 với 5 kích cỡ khác nhau ..................................................................................................... 89 Hình 3.9. Loại trạm nghiền với chỉ 2 hàm nghiền, nhưng 3 hệ sàng (hệ sàng sơ bộ chỉ có một lớp), hệ sàng thứ cấp (số 2 và số 3) được sắp xếp để cung cấp cốt liệu với 4 kích cỡ ........................................................................................................................................... 89 -IX- Hình 3.10. Hình ảnh vật liệu rơi vãi tại bãi nổ mìn và đường vận chuyển từ bải nổ mìn về khu vực sản xuất đá mỏ Sunway ....................................................................................... 90 Hình 3.11. Hình ảnh vật liệu rơi vãi tại bãi sản xuất mỏ đá Sunway ................................ 91 Hình 3.12. Hình ảnh máy nghiền đá mini PE250x400 cấp liệu rung 4m3 và cấp liệu thủ công ................................................................................................................................... 93 Hình 3.13. Cấu tạo của máy nghiền côn ............................................................................ 94 Hình 3.14. Sơ đồ trạm trộn hỗn hợp BTXM làm việc theo ............................................... 98 sơ đồ công nghệ một cấp [23] ................................................................