Luận án Nghiên cứu đánh giá và sử dụng đá dolomite trong xây dựng đường ô tô trên địa bàn tỉnh Ninh Bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÙI TIẾN THÀNH NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ SỬ DỤNG ĐÁ DOLOMITE TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH NINH BÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI - 5/2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÙI TIẾN THÀNH NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ SỬ DỤNG ĐÁ DOLOMITE TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH NINH BÌNH Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 9 58 02 05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS Phạm Huy Khang 2. PGS.TS Nguyễn Trọng Hiệp HÀ NỘI - 5/2024 i CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Hà Nội, tháng 5 năm 2024 LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Nghiên cứu sinh. Các kết quả nghiên cứu, các kết luận trong luận án này là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Nghiên cứu sinh Bùi Tiến Thành ii LỜI CẢM ƠN Luận án thực hiện tại Bộ môn Đường bộ, Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông vận tải. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy đã tận tình hướng dẫn khoa học trong suốt quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cám ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học, Khoa Công trình, các Thầy cô giáo trong Bộ môn Đường bộ - Trung tâm khoa học GTVT - Trường Đại học Giao thông Vận tải đã giúp đỡ và tạo điều kiện để hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài trường đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho luận án. Cuối cùng Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng cảm ơn tới Sở Giao thông vận tải Ninh Bình, các đồng nghiệp, gia đình và bạn bè đã giúp đỡ nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, tháng 5 năm 2024 Nghiên cứu sinh Bùi Tiến Thành iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................ vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... xi MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐÁ DOLOMITE VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH NINH BÌNH ........................................................................ 4 1.1. Giới thiệu chung về đá Dolomite ..................................................................... 4 1.1.1. Khái quát về đá Dolomite ......................................................................... 4 1.1.2. Sự hình thành đá Dolomite ....................................................................... 5 1.1.3. Phân bố đá Dolomite trên thế giới, Việt Nam ......................................... 10 1.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng đá Dolomite trên thế giới và ở Việt Nam ..... 13 1.2.1. Trên thế giới ............................................................................................ 13 1.2.2. Ở Việt Nam ............................................................................................. 13 1.2.3. Các nghiên cứu mới về đá Dolomite làm vật liệu xây dựng ................... 14 1.3. Đá Dolomite trên địa bàn tỉnh Ninh Bình ...................................................... 16 1.3.1. Đặc điểm đá Dolomite Ninh Bình ........................................................... 16 1.3.2. Phân bố và trữ lượng ............................................................................... 25 1.3.3. Quy hoạch khai thác sử dụng đá Dolomite Ninh Bình ........................... 29 1.4. Tình hình sử dụng đá Dolomite Ninh Bình trong xây dựng đường ô tô và những vấn đề đặt ra ............................................................................................... 31 1.4.1. Đánh giá tổng quát về chất lượng một số công trình đường đã sử dụng Dolomite Ninh Bình .......................................................................................... 32 iv 1.4.2. Các yêu cầu thực tiễn khi sử dụng Dolomite trên diện rộng ................... 34 1.5. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ........................................................... 34 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐÁ DOLOMITE GIA CỐ XI MĂNG LÀM MÓNG ĐƯỜNG Ô TÔ ................................................................................... 36 2.1. Mở đầu ........................................................................................................... 36 2.2. Móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng và các yêu cầu .................................. 37 2.2.1. Khái niệm ................................................................................................ 37 2.2.2. Các đặc điểm của CTB ............................................................................ 38 2.2.3. Cơ sở lý thuyết về sử dụng vật liệu đá gia cố xi măng ........................... 42 2.3. Các thí nghiệm đánh giá hỗn hợp cấp phối đá Dolomite gia cố xi măng ...... 43 2.4. Phân tích các chỉ tiêu thí nghiệm cấp phối đá Dolomite gia cố xi măng ....... 44 2.4.1. Vật liệu được sử dụng trong thí nghiệm ................................................. 44 2.4.2. Thiết kế thành phần cấp phối đá Dolomite gia cố xi măng .................... 49 2.4.3. Quy hoạch mẫu thí nghiệm ..................................................................... 50 2.5. Thử nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cấp phối đá Dolomite gia cố xi măng ..... 51 2.5.1. Chuẩn bị thí nghiệm ................................................................................ 51 2.5.2. Cường độ chịu nén Rn ............................................................................. 53 2.5.3. Cường độ chịu kéo khi ép chẻ Rec ........................................................... 59 2.5.4. Mô đun đàn hồi E .................................................................................... 66 2.5.5. Thí nghiệm xác định cường độ nén của đá gốc ...................................... 73 2.5.6. Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của móng cấp phối gia cố xi măng .......... 74 2.6. Kết luận .......................................................................................................... 75 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG XI MĂNG SỬ DỤNG CỐT LIỆU DOLOMITE LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ .............................................................................................................................. 77 v 3.1. Mở đầu ........................................................................................................... 77 3.2. Bê tông xi măng mặt đường và các yêu cầu .................................................. 78 3.2.1. Khái quát về mặt đường bê tông xi măng ............................................... 78 3.2.2. Cơ sở lý thuyết về sự làm việc của mặt đường BTXM .......................... 79 3.2.3. Các thí nghiệm đánh giá hỗn hợp BTXM cốt liệu Dolomite Ninh Bình 80 3.3. Quy hoạch mẫu thí nghiệm theo phương pháp Taguchi ................................ 80 3.3.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến chỉ tiêu cơ lý của BTXM cốt liệu Dolomite ........................................................................................................................... 81 3.3.2. Phương pháp phân tích Taguchi ............................................................. 83 3.4. Phân tích các chỉ tiêu thí nghiệm BTXM cốt liệu Dolomite Ninh Bình ........ 84 3.4.1. Vật liệu được sử dụng trong thí nghiệm ................................................. 84 3.4.2. Thiết kế thành phần cấp phối bê tông ..................................................... 93 3.5. Thử nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của BTXM cốt liệu Dolomite ........................ 96 3.5.1. Chuẩn bị thí nghiệm ................................................................................ 96 3.5.2. Cường độ nén của Rn ............................................................................ 100 3.5.3. Cường độ chịu kéo khi uốn Rku ............................................................. 104 3.5.4. Mô đun đàn hồi (E) ............................................................................... 109 3.5.5. Thí nghiệm mở rộng .............................................................................. 114 3.6. Kết luận ........................................................................................................ 118 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG BTXM SỬ DỤNG CỐT LIỆU DOLOMITE .................................................................................................. 119 4.1. Mở đầu ......................................................................................................... 119 4.2. Trình tự tính toán, thiết kế mặt đường BTXM ............................................. 119 4.3. Mô hình tính toán, tiêu chuẩn trạng thái giới hạn ........................................ 121 4.3.1. Mô hình tính toán .................................................................................. 121 vi 4.3.2. Các trạng thái giới hạn tính toán ........................................................... 121 4.3.3. Xác định cường độ kéo uốn thiết kế yêu cầu của tấm BTXM .............. 122 4.3.4. Hệ số độ tin cậy  r ............................................................................... 122 4.3.5. Vị trí tấm BTXM dễ bị phá hoại mặc định ........................................... 123 4.3.6. Tải trọng trục tiêu chuẩn để tính mỏi và quy đổi về trục tiêu chuẩn .... 123 4.3.7. Tải trọng trục đơn nặng nhất thiết kế Pm .............................................. 123 4.3.8. Trị số gradien nhiệt độ lớn nhất Tg ....................................................... 123 4.4. Tính toán các trị số ứng suất kéo uốn do tải trọng và do Gradien nhiệt độ tại vị trí giữa cạnh dọc tấm BTXM .......................................................................... 124 4.4.1. Trường hợp móng trên bằng vật liệu dạng hạt ...................................... 124 4.4.2. Trường hợp móng trên bằng vật liệu hạt gia cố .................................... 129 4.5. Tính toán, thiết kế mặt đường BTXM cốt liệu Dolomite ............................ 132 4.5.1. Đề xuất các phương án thiết kế và các số liệu xuất phát ...................... 133 4.5.2. Kiểm toán các phương án thiết kế do tải trọng xe chạy và Gradien nhiệt độ gây ra. ......................................................................................................... 135 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 137 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ....................................................... 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 139 vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT GTVT : Giao thông vận tải ĐHGTVT : Đại học Giao thông vận tải BGTVT : Bộ Giao thông vận tải BXD : Bộ Xây dựng TCĐBVN : Tổng cục Đường bộ Việt Nam UBND : Ủy ban nhân dân NB : Ninh Bình TCN : Tiêu chuẩn ngành TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TCCS : Tiêu chuẩn cơ sở ANOVA : Analysis of Variance (Phân tích phương sai) CPĐD : Cấp phối đá dăm CPTN : Cấp phối thiên nhiên GCXM : Gia cố xi măng BTXM : Bê tông xi măng BTN : Bê tông nhựa CTB : Cement Treated Base (Móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng) CTE : Coefficient of Thermal Expansion (Hệ số giãn nhiệt) Rn : Cường độ chịu nén Rec : Cường độ chịu kéo khi ép chẻ Rku : Cường độ kéo khi uốn E : Mô đun đàn hồi PC : Xi măng Poóclăng PCB : Xi măng Poóclăng hỗn hợp viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Thành phần hóa học cơ bản của Dolomite ................................................. 9 Bảng 1.2. Tỷ trọng của một số khoáng vật ................................................................. 9 Bảng 1.3. Khả năng hòa tan của một số khoáng vật ................................................... 9 Bảng 1.4. Các loại đá vôi - Dolomite ........................................................................ 10 Bảng 1.5. Tổng hợp trữ lượng đá Dolomite cả nước ................................................ 12 Bảng 1.6. Thành phần cơ bản của bê tông tự lèn Dolomite ...................................... 15 Bảng 1.7. Tổng hợp thành phần của đá Dolomite Ninh Bình ................................... 18 Bảng 1.8. Tổng hợp thành phần của đá Dolomite khu Đông Sơn - Tam Điệp ......... 19 Bảng 1.9. Tổng hợp thành phần của đá Dolomite khu Phú Sơn - Nho Quan ........... 20 Bảng 1.10. Tổng hợp thành phần của đá Dolomite khu Thạch Bình - Nho Quan .... 21 Bảng 1.11. Tổng hợp thành phần của đá Dolomite khu Phú Long, Kỳ Phú - Nho Quan .......................................................................................................................... 22 Bảng 1.12. Tổng hợp thành phần có hại trong đá Dolomite tỉnh Ninh Bình ............ 23 Bảng 1.13. Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của đá Dolomite Ninh Bình ....................... 24 Bảng 1.14. Quy hoạch đá Dolomite tỉnh Ninh Bình năm 2010 ................................ 29 Bảng 1.15. Quy hoạch đá Dolomite tỉnh Ninh Bình năm 2020 ................................ 30 Bảng 2.1. Các đặc tính của CTB ............................................................................... 37 Bảng 2.2. Thành phần hạt của cấp phối đá dăm ....................................................... 43 Bảng 2.3. Thành phần hạt của cấp phối đá dăm GCXM .......................................... 43 Bảng 2.4. Lựa chọn thành phần hạt cấp phối Dolomite ........................................... 47 Bảng 2.5. Tính chất xi măng .................................................................................... 48 Bảng 2.6. Tỷ lệ gia cố xi măng sử dụng trong cấp phối đá Dolomite ...................... 49 Bảng 2.7. Tổng hợp số lượng mẫu thí nghiệm .......................................................... 50 ix Bảng 2.8. Số lượng mẫu thí nghiệm cường độ nén ................................................... 53 Bảng 2.9. Tổng hợp giá trị cường độ nén Rn(MPa) .................................................. 53 Bảng 2.10. Số lượng mẫu thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ ....................... 59 Bảng 2.11. Tổng hợp giá trị cường độ chịu kéo khi ép chẻ Rec(MPa) ...................... 60 Bảng 2.12. Số lượng mẫu thí nghiệm mô đun đàn hồi ............................................. 66 Bảng 2.13. Tổng hợp giá trị mô đun đàn hồi E(MPa)............................................... 67 Bảng 2.14. Cường độ nén đá gốc Dolomite Đông Sơn - Tam Điệp ......................... 73 Bảng 2.15. Yêu cầu về cường độ theo TCVN 8858 ................................................. 74 Bảng 2.16. Yêu cầu về cường độ theo TCCS 38 ...................................................... 74 Bảng 3.1. Tổng hợp số lượng mẫu thí nghiệm .......................................................... 82 Bảng 3.1. (Tiếp) ........................................................................................................ 83 Bảng 3.2. Thành phần hạt của đá Dolomite dùng thiết kế hỗn hợp bê tông ............. 85 Bảng 3.3. Chỉ tiêu cơ lý đá dăm Dolomite dùng cho bê tông xi măng ..................... 86 Bảng 3.4. Bảng thành phần hạt của cát tự nhiên ....................................................... 87 Bảng 3.5. Các chỉ tiêu yêu cầu đối với cát ................................................................ 88 Bảng 3.6. Bảng thành phần hạt của cát nghiền từ đá Dolomite ............................... 90 Bảng 3.7. Các chỉ tiêu yêu cầu đối với cát nghiền từ đá Dolomite (TCVN 9205:2012) ................................................................................................................ 91 Bảng 3.8. Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng VICEM PCB40 ....................................... 92 Bảng 3.9. Các chỉ tiêu cơ lý của nước dùng cho thí nghiệm .................................... 93 Bảng 3.10. Thành phần cấp phối bê tông Dolomite dùng cát tự nhiên ..................... 96 Bảng 3.11. Thành phần cấp phối bê tông dùng cát nghiền từ đá Dolomite .............. 96 Bảng 3.12. Cấp phối bê tông Dolomite dùng cát hỗn hợp có 50% cát nghiền từ đá Dolomite và 50% cát vàng tự nhiên. ......................................................................... 96 Bảng 3.13. Số lượng mẫu thí nghiệm cường độ nén ............................................... 100 x Bảng 3.14. Tổng hợp giá trị cường độ nén Rn(MPa) .............................................. 101 Bảng 3.15. Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ nén ........................................... 103 Bảng 3.16. Số lượng mẫu thí nghiệm cường độ kéo uốn ........................................ 105 Bảng 3.17. Tổng hợp giá trị cường độ kéo uốn Rku (MPa) ..................................... 106 Bảng 3.18. Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ kéo uốn .................................... 108 Bảng 3.19. Số lượng mẫu thí nghiệm mô đun đàn hồi E ........................................ 109 Bảng 3.20. Tổng hợp giá trị mô đun đàn hồi E (GPa) ............................................ 111 Bảng 3.21. Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ mô đun đàn hồi ........................ 113 Bảng 3.22. CTE của BTXM cốt liệu Dolomite Ninh Bình ..................................... 115 Bảng 3.23. Tổng hợp giá trị CTE của một số nghiên cứu, quy trình ...................... 115 Bảng 3.24. Độ mài mòn của BTXM cốt liệu Dolomite Ninh Bình ........................ 117 Bảng 4.1. Chiều dày tấm BTXM thông thường theo cấp hạng đường .................. 120 Bảng 4.2. Phân cấp quy mô giao thông ................................................................... 120 Bảng 4.3. Chọn độ tin cậy và hệ số độ tin cậy thiết kế  r ...................................... 122 Bảng 4.4. Hệ số dãn nở nhiệt αc của BTXM ........................................................... 128 Bảng 4.5. Các thông số đầu vào của các loại bê tông ............................................. 132 Bảng 4.6. Các thông số tính toán của các loại bê tông ........................................... 132 Bảng 4.7. Cấp và quy mô giao thông tính toán ....................................................... 133 Bảng 4.8. Kết quả kiểm toán tuyến đường ĐT.482C .............................................. 136 Bảng 4.9. Kết quả kiểm toán tuyến đường ĐT.482D ............................................. 136 xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Mỏ đá Dolomite Đông Sơn - Tam Điệp - Ninh Bình ................................. 4 Hình 1.2. Thành phần hóa học đá Dolomite Ninh Bình ........................................... 31 Hình 2.1. Độ võng mặt đường khi dùng các loại móng khác nhau........................... 38 Hình 2.2. Giảm chiều dày lớp móng ......................................................................... 39 Hình 2.3. Mẫu khoan rút lõi CTB ............................................................................. 39 Hình 2.4. Giảm độ hằn lún vệt bánh xe .................................................................... 40 Hình 2.5. Hạn chế hơi ẩm phá hoại mặt đường ........................................................ 41 Hình 2.6. Vị trí mỏ đá Đông Sơn - Tam Điệp - Ninh Bình ...................................... 45 Hình 2.7. Lấy mẫu đá Dolomite tại mỏ Đông Sơn - Tam Điệp - Ninh Bình ............ 46 Hình 2.8. Quá trình gia công đá Dolomite để phối trộn the