Luận án Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay làm mặt đường ô tô ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Trần Trung Hiếu NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố Mã ngành: 62.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS PHẠM DUY HỮU 2. PGS.TS LÃ VĂN CHĂM HÀ NỘI – 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Trần Trung Hiếu ii LỜI CẢM ƠN Với sự trân trọng và lòng biết ơn sâu sắc, tác giả luận án xin chân thành cảm ơn tới GS.TS Phạm Duy Hữu và PGS.TS Lã Văn Chăm - những người Thầy đã tận tình hướng dẫn và định hướng khoa học; tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các giáo sư, phó giáo sư, tiến sỹ, các chuyên gia, các nhà khoa học trong ngành GTVT và Xây dựng đã chỉ dẫn và đóng góp ý kiến quý báu để luận án được hoàn thiện. Trong quá trình làm luận án, tác giả đã nhận được sự hỗ trợ và giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo, các nhà khoa học thuộc Bộ môn Đường bộ, Bộ môn Vật liệu Xây dựng, Bộ môn Đường ô tô sân bay - Trường Đại học Giao thông vận tải và GS.TS Bùi Xuân Cậy, PGS.TS Nguyễn Thanh Sang và PGS.TS Nguyễn Quang Phúc. Tác giả xin chân thành cảm ơn. Tác giả chân thành cảm ơn đến cán bộ Trung tâm thí nghiệm Đường bộ cao tốc - Trường Đại học công nghệ GTVT; các phòng thí nghiệm LAS-XD72, LAS- XD160; Công ty Vật tư thiết bị giao thông TRANSMECO; Công ty phụ gia bê tông Phả Lại – PHALAMI và các bạn đồng nghiệp, các TS-NCS nước ngoài đã tận tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu, số liệu, vật tư vật liệu và tạo điều kiện cho quá trình thí nghiệm, thử nghiệm. Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông vận tải, tác giả đã nhận được sự tạo điều kiện thuận lợi tối đa của lãnh đạo Trường, phòng Đào tạo Sau đại học và Khoa Công trình. Tác giả xin trân trọng cảm ơn. Tác giả xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải và lãnh đạo, cán bộ phòng KHCN-HTQT đã quan tâm tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Cuối cùng tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia đình đã động viên và chia sẻ trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả luận án Trần Trung Hiếu iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu.............................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................2 3. Phạm vi nghiên cứu của luận án .............................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................2 5. Bố cục của luận án ..................................................................................................3 6. Những đóng góp mới của luận án ...........................................................................3 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.................................................................................4 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY .........................5 1.1. Khái quát về mặt đường bê tông xi măng ............................................................5 1.1.1. Quy định về tính năng của BTXM ..............................................................5 1.1.2. Quy định về vật liệu chế tạo BTXM............................................................6 1.2. Khái quát về bê tông xi măng tro bay ..................................................................7 1.2.1. Khái niệm bê tông xi măng tro bay ............................................................7 1.2.2. Tính chất tro bay nhiệt điện.......................................................................8 1.2.3. Công nghệ tuyển tro bay nhiệt điện............................................................9 1.2.4. Sản lượng tro bay ở Việt Nam ....................................................................9 1.3. Cơ chế phản ứng trong bê tông xi măng tro bay................................................10 1.3.1. Quá trình phản ứng trong BTXM tro bay.................................................10 1.3.2. Mức độ phản ứng puzơlan tro bay ...........................................................12 1.3.3. Mức độ phản ứng thủy hóa xi măng .........................................................14 1.4. Ảnh hưởng của tro bay đến các tính năng của bê tông xi măng ........................14 1.4.1. Lịch sử nghiên cứu tro bay trong BTXM..................................................14 1.4.2. Ảnh hưởng của tro bay đến tính chất hỗn hợp BTXM..............................15 1.4.3. Ảnh hưởng của tro bay đến tính năng BTXM...........................................17 1.4.4. Ảnh hưởng của tro bay đến độ bền BTXM ...............................................18 1.5. Hệ số hiệu quả tro bay và phương pháp thiết kế thành phần BTXM tro bay ....19 1.5.1. Khái niệm hệ số hiệu quả tro bay.............................................................19 1.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tro bay.............................................19 1.5.3. Khái quát về các phương pháp thiết kế thành phần BTXM tro bay .........21 1.6. Nghiên cứu ứng dụng bê tông xi măng tro bay trong xây dựng đường ô tô......24 1.6.1. Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay trên thế giới...................................24 1.6.2. Nghiên cứu ứng dụng BTXM tro bay ở Việt Nam ....................................27 1.7. Kết luận chương 1 và định hướng nghiên cứu luận án ......................................31 Chương 2. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HIỆU QUẢ TRO BAY VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY ..............................................33 iv 2.1. Phương pháp xác định hệ số hiệu quả tro bay ...................................................33 2.2. Thí nghiệm xác định hệ số hiệu quả tro bay ......................................................35 2.2.1. Vật liệu và nội dung thí nghiệm................................................................36 2.2.2. Kết quả thí nghiệm....................................................................................39 2.2.3. Thiết lập tương quan giữa hệ số cường độ với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD..............................................................................................40 2.2.4. Xác định hệ số k theo tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD ...............43 2.2.5. Xác định hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông ........................................44 2.3. Trình tự thiết kế thành phần bê tông theo hệ số hiệu quả tro bay......................45 2.3.1. Xác định cường độ yêu cầu và độ sụt (Bước 1)........................................46 2.3.2. Lựa chọn cỡ hạt lớn nhất danh định của cốt liệu (Bước 2) .....................47 2.3.3. Lựa chọn thành phần cốt liệu thô tối ưu (Bước 3) ...................................46 2.3.4. Xác định lượng nước và hàm lượng khí (Bước 4) ....................................48 2.3.5. Xác định tỷ lệ nước / xi măng (Bước 5)....................................................48 2.3.6. Xác định khối lượng xi măng ban đầu (Bước 6) ......................................49 2.3.7. Xác định khối lượng xi măng và tro bay trong BTXM tro bay (Bước 7)..49 2.3.8. Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay theo hệ số k (Bước 8)......................51 2.4. Thí nghiệm và thiết lập công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô ........................................................................................................51 2.4.1. Kết quả thí nghiệm vật liệu.......................................................................51 2.4.2. Tính thành phần vật liệu BTXM tro bay...................................................54 2.4.3. Chế tạo và thí nghiệm cường độ nén .......................................................58 2.4.4. Tính và phân tích kết quả thí nghiệm .......................................................59 2.4.5. Công thức thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô.........63 2.5. Kết luận Chương 2 .............................................................................................66 Chương 3. THÍ NGHIỆM MỘT SỐ TÍNH NĂNG CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY LÀM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ.................................................................68 3.1. Vật liệu và kế hoạch thí nghiệm.........................................................................68 3.2. Thí nghiệm tính công tác hỗn hợp BTXM tro bay.............................................69 3.2.1. Độ sụt........................................................................................................69 3.2.2. Thời gian đông kết ....................................................................................71 3.3. Thí nghiệm đo nhiệt độ thủy hóa tỏa ra trong bê tông.......................................73 3.4. Thí nghiệm sự phát triển cường độ nén bê tông ................................................76 3.4.1. Cường độ nén ở 7 ngày ............................................................................76 3.4.2. Cường độ nén ở 14 ngày ..........................................................................78 3.4.3. Cường độ nén ở 28 ngày ..........................................................................79 3.4.4. Cường độ nén ở 56 ngày ..........................................................................79 3.4.5. Phân tích sự phát triển cường nén theo thời gian ....................................80 v 3.5. Thí nghiệm cường độ kéo uốn ...........................................................................82 3.6. Thí nghiệm mô đun đàn hồi ...............................................................................86 3.7. Thí nghiệm độ mài mòn .....................................................................................89 3.8. Thí nghiệm độ thấm nước ..................................................................................90 3.9. Tổng hợp kết quả thí nghiệm .............................................................................92 3.10. Kết luận chương 3 ............................................................................................92 Chương 4. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRO BAY TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ ...........................................................94 4.1. Phân tích khả năng ứng dụng BTXM tro bay làm mặt đường ô tô....................94 4.1.1. Khả năng đáp ứng về cường độ................................................................94 4.1.2. Độ mài mòn mặt đường BTXM tro bay ....................................................96 4.1.3. Khả năng chống thấm nước .....................................................................96 4.1.4. Tính công tác ............................................................................................97 4.1.5. Phân tích hiệu quả kinh tế - môi trường...................................................99 4.1.6. Đề xuất ứng dụng BTXM tro bay trong các cấp đường .........................100 4.2. Đề xuất các dạng kết cấu áo đường bê tông xi măng tro bay ..........................101 4.2.1. Các số liệu phục vụ thiết kế ....................................................................101 4.2.3. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp nặng .................104 4.2.4. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp trung bình ........105 4.2.5. Thiết kế kết cấu mặt đường có quy mô giao thông cấp nhẹ ...................106 4.2.6. Tổng hợp các dạng kết cấu mặt đường BTXM tro bay ..........................107 4.3. Cường độ và ứng suất mặt đường BTXM giai đoạn tuổi sớm.........................107 4.3.1. Đặt vấn đề...............................................................................................107 4.3.2. Cường độ của BTXM trong giai đoạn tuổi sớm ....................................109 4.3.3. Ứng suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm........................111 4.3.4. Điều kiện kiểm toán ứng suất mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm .114 4.4. Phân tích ảnh hưởng của tro bay đến cường độ và ứng suất trong mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm ...................................................................................108 4.4.1. Các số liệu phục vụ tính toán .................................................................116 4.4.2. Kết quả tính cường độ và ứng suất mặt đường BTXM ..........................117 4.4.3. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến sự phát triển cường độ......................120 4.4.4. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến sự phát triển ứng suất kéo ................122 4.4.5. Phân tích ảnh hưởng tro bay đến khả năng kháng nứt mặt đường BTXM ở giai đoạn tuổi sớm.......................................................................................123 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....................................................................................125 4.6. Kết luận chương 4 ............................................................................................126 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.................128 vi DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ........................ i TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... I DANH MỤC BẢNG CHƯƠNG 1 Bảng 1.1 – Cường độ thiết kế của BTXM làm mặt đường ô tô....................................6 Bảng 1.2 – Phân loại hàm lượng tro bay trong BTXM.................................................8 Bảng 1.3 – Chỉ tiêu chất lượng chính của tro bay dùng cho BTXM ............................9 Bảng 1.4 – Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2005 đến 2020 ...........10 Bảng 1.5. So sánh tính chất cơ học giữa BTXM tro bay với BTXM thông thường.....27 Bảng 1.6 – Thành phần bê tông sử dụng vật liệu khoáng tro bay.................................29 CHƯƠNG 2 Bảng 2.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm........................................................36 Bảng 2.2 – Kết quả thí nghiệm các tính chất của tro bay Phả Lại ................................37 Bảng 2.3 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén...............................................................39 Bảng 2.4 – Kết quả phân tích tương quan giữa hệ số cường độ với tỷ lệ tro bay / CKD và tỷ lệ nước / CKD.............................................................................................43 Bảng 2.5 – Phương trình thực nghiệm xác định hệ số hiệu quả tro bay .......................43 Bảng 2.6 – Bảng giá trị hệ số hiệu quả k trong vữa xi măng tro bay............................43 Bảng 2.7 – Giá trị hệ số hiệu quả tro bay trong BTXM tro bay ...................................45 Bảng 2.8 – Cường độ yêu cầu của BTXM làm mặt đường ô tô ...................................46 Bảng 2.9 – Yêu cầu độ sụt hỗn hợp bê tông làm mặt đường ô tô.................................47 Bảng 2.10 – Bảng tra thể tích cốt liệu thô.....................................................................47 Bảng 2.11 – Bảng tra lượng nước .................................................................................48 Bảng 2.12 – Bảng tra tỷ lệ nước / xi măng ...................................................................48 Bảng 2.13 – Bảng giá trị hệ số hiệu quả tro bay ...........................................................50 Bảng 2.14 – Bảng kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của cát.........................................52 Bảng 2.15 – Bảng kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối của cát .............................53 Bảng 2.16 – Bảng kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu thô .....................53 Bảng 2.17 – Bảng kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối của cốt liệu thô................54 Bảng 2.18 – Hệ số hiệu quả tro bay cho từng loại bê tông ...........................................56 Bảng 2.19 – Kết quả tính thành phần xi măng và tro bay bê tông................................56 Bảng 2.20 – Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-NC) ..........................................57 Bảng 2.21 – Thành phần hỗn hợp BTXM tro bay (FCk-EN) ..........................................57 Bảng 2.22 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm cường độ nén bê tông ..................58 Bảng 2.23 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay (FCk-NC) .....................59 vii Bảng 2.24 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén BTXM tro bay (FCk-EN) .....................59 Bảng 2.25 – Kết quả tính cường độ nén BTXM tro bay FCk-NC ...................................60 Bảng 2.26 – Kết quả tính cường độ nén BTXM tro bay FCk-EN ...................................61 Bảng 2.27 – So sánh cường độ đặc trưng và cường độ nén thiết kế .............................62 Bảng 2.28 – Bảng hệ số hiệu quả tro bay trong bê tông mặt đường ô tô......................63 Bảng 2.29 – Thành phần vật liệu BTXM tro bay làm mặt đường ô tô .........................63 CHƯƠNG 3 Bảng 3.1 – Kế hoạch và phương pháp thí nghiệm........................................................68 Bảng 3.2 – Kết quả thí nghiệm độ sụt bê tông..............................................................69 Bảng 3.3 – Kết quả phân tích thống kê ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến độ sụt...........70 Bảng 3.4 – Kết quả thí nghiệm thời gian đông kết .......................................................71 Bảng 3.5 – Kết quả phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ tro bay đến thời gian đông kết ......72 Bảng 3.6 – Kết quả đo nhiệt độ lớn nhất tại tâm các mẫu bê tông ...............................75 Bảng 3.7 – Kết quả thí nghiệm nhiệt độ tỏa ra trong bê tông .......................................76 Bảng 3.8 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 7 ngày...................................77 Bảng 3.9 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 14 ngày.................................78 Bảng 3.10 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 28 ngày...............................79 Bảng 3.11 – Kết quả thí nghiệm cường độ nén bê tông ở 56 ngày...............................80 Bảng 3.12 – Sự phát triển cường độ nén đặc trưng.......................................................81 Bảng 3.13 – Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn bê tông.........................................83 Bảng 3.14 – Tỷ số giữa cường độ kéo uốn và cường độ nén........................................86 Bảng 3.15 – Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi bê tông ............................................87 Bảng 3.16 – Kết quả thí nghiệm độ mài mòn ...............................................................89 Bảng 3.17 – Kết quả thí nghiệm độ thấm nước bê tông ...............................................91 Bảng 3.18 – Tổng hợp kết quả thí nghiệm BTXM tro bay...........................................92 CHƯƠNG 4 Bảng 4.1 – Khả năng đáp ứng về cường độ ..................................................................95 Bảng 4.2 – Độ mài mòn mặt đường BTXM tro bay .....................................................96 Bảng 4.3 – Khả năng chống thấm nước ........................................................................97 Bảng 4.4 – Độ sụt bê tông mặt đường ô tô ...................................................................97 Bảng 4.5 – Thời gian đông kết chất kết dính ................................................................98 Bảng 4.6 – Bảng khối lượng vật liệu cho 1 km