BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI NGƠ HỒI THANH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE Ở THANH SƠN-PHÚ THỌ ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƢỜNG Ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 9580205 Chun ngành: Xây dựng đƣờng ô tô đƣờng thành phố TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TS Phạm Duy Hữu Trường Đại học Giao thông Vận tải Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thƣ viện Quốc gia Việt Nam - Thƣ viện Trƣờng Đai học Giao thông Vận tải MỞ ĐẦU Sự cần thiết việc nghiên cứu Bê tông loại vật liệu chiếm tỷ trọng lớn hầu hết cơng trình xây dựng Với ưu điểm dễ tạo hình, khả chịu lực tốt, tuổi thọ cao, lại tận dụng nguồn vật liệu địa phương nên lĩnh vực xây dựng cơng trình, chưa có loại vật liệu có ưu bê tơng Nhu cầu xây dựng cơng trình giao thơng lớn (hàng trăm nghìn km quốc lộ), thực tế sử dụng mặt đường bê tông xi măng Việt Nam thiếu số lượng chưa đạt yêu cầu chất lượng Trong đó, nhiều nước giới Mỹ, Đức, Trung Quốc… áp dụng thành công xây dựng mặt đường ôtô sân bay [28] Đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ loại cốt liệu chất lượng cao, trữ lượng lớn, khoảng 10 triệu [2] Việc khai thác tận dụng vật liệu địa phương để chế tạo bê tông cấp thiết để hạn chế vận chuyển loại cốt liệu làm tăng giá thành xây dựng Mặt khác, cơng trình nghiên cứu bê tông xi măng Việt Nam tới chưa có cơng trình nghiên cứu thực nghiệm có hệ thống đầy đủ đặc tính nhiệt bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite, cụ thể tính tốn đo thực nghiệm hệ số giãn nở nhiệt bê tơng, tìm hiểu mối quan hệ hệ số giãn nở nhiệt với ngày tuổi, với loại cốt liệu khác Vì lý việc nghiên cứu tiêu lý đá quartzite, thiết kế thành phần bê tơng, nghiên cứu đặc tính nhiệt bê tơng thơng qua xác định hệ số giãn nở nhiệt, cường độ ứng suất nhiệt bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ đáp ứng nhu cầu xây dựng cơng trình giao thơng đòi hỏi cần loại bê tông xi măng làm đường chất lượng, hiệu khai thác sử dụng cao mà tận dụng vật liệu địa phương Chính “Nghiên cứu sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ để chế tạo bê tông xi măng mặt đường” vấn đề cấp thiết nay, có ý nghĩa khoa học thực tiễn rõ rệt Mục tiêu nghiên cứu luận án Mục tiêu nghiên cứu để hoàn thiện sở khoa học thực tiễn sử dụng cốt liệu từ đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ để chế tạo bê tông xi măng mặt đường đạt yêu cầu kỹ thuật xây dựng đường khu vực Tây Bắc Nghiên cứu góp phần vào việc khai thác hợp lý nguồn vật liệu địa phương xây dựng Phạm vi nghiên cứu Sử dụng cốt liệu chế tạo từ đá quartzite rắn Thanh Sơn, Phú Thọ để làm cốt liệu cho bê tơng xi măng mặt đường Thí nghiệm tính học bê tơng xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite rắn Thanh Sơn, Phú Thọ theo yêu cầu thiết kế thi công mặt đường Trong thiết kế kết cấu mặt đường bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite rắn Thanh Sơn, Phú Thọ có sử dụng số liệu tải trọng, khí hậu, lớp móng đất đường theo định QĐ3230[5] Phƣơng pháp nghiên cứu - Kết hợp nghiên cứu lí thuyết với thực nghiệm phòng để xác định tiêu lý cốt liệu đá, đặc tính bê tơng xi măng - Phương pháp phân tích tổng hợp để làm rõ mục tiêu nghiên cứu luận án Cấu trúc luận án Luận án gồm Mở đầu, Chương, Kết luận, Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp Những đóng góp luận án + Nghiên cứu đặc tính cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ khẳng định vật liệu phù hợp với tiêu chuẩn hành, sử dụng để chế tạo BTXM mặt đường + Bằng quy hoạch thực nghiệm tác giả tìm phương trình hồi quy mơ tả mối quan hệ hàm mục tiêu: cường độ chịu n n, cường độ k o uốn với yếu tố ảnh hưởng tỷ lệ N, hai phương trình hồi quy là: y1  19,19 X  5,62 y2  X  2,77  2,5  X  3,5  2,5  X  3,5 + Các kết thí nghiệm cường độ chịu n n, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ sụt BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite có tác dụng tham khảo tốt giảng dạy, việc thiết kế, thi cơng cơng trình giao thông + Thông qua thực nghiệm tác giả xác định biến dạng hệ số giãn nở nhiệt bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi theo ngày tuổi máy đo biến dạng SDA – 830B cụ thể sau: - Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite theo 3, 7, 14, 28 ngày tuổi có hệ số giãn nở nhiệt 11,1925; 11,2248; 11,2200; 11,1819 (10-6/0C ) - Bê tông sử dụng cốt liệu đá vơi theo 3, 7, 14, 28 ngày tuổi có hệ số giãn nở nhiệt 7,4791; 7,3830; 7,3996; 7,4132(10-6/0C ) + Tính tốn bê tơng xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite cốt liệu đá vôi với kích thước dự kiến 4m x 3,5m x 0,25m 4,5m x 3,5m x 0,25m, theo định QĐ3230[5] Bộ Giao thông vận tải - Khi thiết kế thành phần bê tơng sử dụng cốt liệu đá quartzite tăng đồng thời cường độ ứng suất nhiệt so với bê tông sử dụng cốt liệu đá vơi Trong cường độ chịu k o tăng 1,1% ứng suất nhiệt lớn tăng 33,59% - Do yếu tố nên mặt đường bê tơng sử dụng cốt liệu đá quartzite có nguy sảy nứt mặt cao mặt đường bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi, tỷ lệ chênh lệch gây nứt bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite cao bê tông sử dụng cốt liệu đá vơi 5,41% - Kích thước chiều dài bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên chọn nhỏ kích thước chiều dài bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vơi Kích thước chiều dài bê tơng xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên chọn 3,8m + Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đáp ứng yêu cầu cường độ, hiệu kinh tế tốt giá thành vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite rẻ so với giá thành vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG LÀM ĐƢỜNG VÀ SỬ DỤNG ĐÁ QUARTZITE TRONG BÊ TÔNG 1.1 Lịch sử phát triển kết cấu mặt đƣờng BTXM Theo tài liệu [26], [28] bê tông loại vật liệu xây dựng sử dụng với khối lượng lớn thiếu xây dựng đại Do yêu cầu cao điều kiện khắc nghiệt nên từ lâu mặt đường bê tông xi măng không cốt th p sử dụng nhiều nước Anh, Mỹ, Nga, Đức, Trung Quốc Ở Việt Nam sử dụng mặt đường Hùng Vương vào năm 1975, sau có nhiều dự án Quốc lộ 2, quốc lộ 18, Quốc lộ 1A 1.2 Khái quát chung bê tông xi măng Theo tài liệu [1], [21], [22] bê tông xi măng loại vật liệu đá nhân tạo nhận sau làm rắn hỗn hợp bê tông Hỗn hợp bê tơng có thành phần lựa chọn hợp lý gồm xi măng, nước, cốt liệu phụ gia Trong bê tơng cốt liệu đóng vai trò khung chịu lực để tăng cường đặc tính học cho bê tông, đồng thời giảm giá thành cho bê tông 1.3 Cấu trúc bê tông xi măng 1.3.1 Sự hình thành cấu trúc bê tơng 1.3.2 Cấu trúc vĩ mô, cấu trúc vi mô cấu trúc nano 1.4 Quy định tính bê tơng xi măng làm đƣờng 1.4.1 Quy định cốt liệu chế tạo bê tơng xi măng 1.4.2 Quy định tính bê tông xi măng làm đƣờng Các tiêu lý độ sụt hỗn hợp BT M quy định theo định QĐ1951[4] Bộ GTVT 1.5 Khái quát phƣơng pháp thiết kế thành phần BTXM 1.5.1 Phƣơng pháp thiết ế thành phần BTXM theo ACI 211.1.91 Theo tài liệu [34] phương pháp sử dụng lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Lý thuyết lý thuyết thể tích tuyệt đối Bê tông thiết kế trạng thái hồn tồn đặc, tổng thể tích bê tơng bao gồm thể tích đặc riêng rẽ vật liệu thành phần thể tích khơng khí Thực nghiệm phép thử cường độ độ sụt Đánh giá thử nghiệm sử dụng lý thuyết xác suất thống kê sở phân phối chuẩn 1.5.2 Thiết ế thành phần BTXM theo phƣơng pháp Bolomey-Skramtaev Theo tài liệu [15] ta thiết kế thành phần BT M sau: Bước 1(Chọn độ sụt, Bước 2( ác định lượng nước nhào trộn), Bước 3( ác định tỷ lệ X/N), Bước (Xác định lượng xi măng X), Bước 5( ác định lượng đá Đ), Bước ( ác định lượng cát C), Bước ( ác định lượng phụ gia siêu dẻo) 1.5.3 Sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm xác định yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ bê tơng xi măng làm đƣờng, tính toán tỷ lệ N/X Theo tài liệu [30] tiêu đầu dùng để đánh giá đối tượng thường gọi hàm mục tiêu Áp dụng quy hoạch thực nghiệm để tính tốn dựa kế hoạch thực nghiệm khoa học để lựa chọn thành phần BT M nhằm thỏa mãn hàm mục tiêu là: Cường độ chịu n n cường độ chịu k o uốn BT M Bằng quy hoạch thực nghiệm tìm phương trình hồi quy mơ tả mối quan hệ hàm mục tiêu: cường độ chịu n n, cường độ chịu k o uốn với yếu tố ảnh hưởng như: Tỷ lệ D C, tỷ lệ /N, từ tính tốn tỷ lệ N/X 1.6 Nghiên cứu đặc điểm địa lý, địa hình đặc điểm địa chất mỏ đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ Mỏ quartzite nằm địa bàn xã Thục Luyện, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ [2] Hình1.1 Hình ảnh mỏ đá 1.6.1 Đặc điểm địa lý, địa hình 1.6.2 Đặc điểm địa chất mỏ + Đặc điểm địa chất khoáng sản Đá quartzite nằm khớp lên đá phiến, k o dài từ Bắc xuống Nam Chiều dày tầng khoảng 150 - 200m, chia tầng đá quartzite thành vỉa, phân bố từ lên vỉa 1, 2, - Vỉa 1: Nằm khớp lên tầng đá phiến thạch anh mica Quartzite màu trắng đục phớt vàng - Vỉa 2: Nằm khớp lên giải kẹp đá phiến quartzite phân phiến Quartzite có màu xám phớt hồng - Vỉa 3: Nằm khớp lên giải đá kẹp quartzite phiến đá phiến, diện phân bố rộng lớn Quartzite màu trắng xám phớt vàng + Chất lượng đá quartzite Đá quartzite có hai loại: Quartzite phong hố quartzite rắn Bảng 1.6 Thành phần hóa học đá quartzite phong hóa Loại đá SiO2(%) Fe2O3 (%) Đá quartzite phong hóa 96,90 0,28 Bảng 1.7 Thành phần hoá học đặc tính lý đá quartzite vỉa TT SiO2 A1203 Tỷ lệ hút nước Nhiệt độ chịu lửa (%) (%) (%) 1.Vỉa 97,81 1,00 0,45 > 17300 2.Vỉa 97,23 0,77 0,54 > 17300 3.Vỉa 96,68 1,11 0,97 > 17300 1.7 Các nghiên cứu đá quartzite bê tông xi măng mặt đƣờng sử dụng đá quartzite 1.7.1 Các nghiên cứu đá quartzite bê tông xi măng mặt đƣờng sử dụng đá quartzite giới Theo tài liệu [39]: Đá quartzite đá biến chất từ sa thạch silic với hạt thạch anh kết tinh lại gắn kết với Đá có màu trắng có lẫn tạp chất nên có màu hồng, tím, xẫm Đá chịu phong hóa tốt Đá dùng cho lớp ốp ngồi cơng trình nhà, dùng làm đá hộc đá dăm Đá dùng làm nguyên liệu cho sản xuất cấu kiện chịu lửa Bê tông xi măng mặt đường sử dụng đá quartzite loại vật liệu đá nhân tạo nhận sau làm rắn hỗn hợp bê tông Hỗn hợp bê tơng có thành phần gồm: xi măng, nước, cốt liệu lớn đá quartzite, cốt liệu nhỏ cát quartzite Theo K Kavitha [51] gia tăng hoạt động xây dựng dẫn đến gia tăng nhu cầu nguyên liệu khác sử dụng bê tông, đặc biệt cát sông sử dụng làm cốt liệu mịn Nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng đá quartzite thay cho cốt liệu mịn bê tông loại mác 30 (M30) Nghiên cứu đưa kết luận sau: Cát quartzite sử dụng để thay cốt liệu mịn có tỉ trọng khối nhỏ trọng lượng riêng thấp cát sơng, trọng lượng bê tơng giảm Cát quartzite chuyển màu tốt bề mặt mịn, điều quan sát cát tự nhiên Cát quartzite vật liệu thay phù hợp với cát sông với chi phí hợp lý Do thay 100% cốt liệu mịn cát quartzite chấp nhận cơng trình xây dựng Theo Simma Ravi Kiran [62] bê tông sử dụng rộng rãi xây dựng sở hạ tầng Nghiên cứu đá quartzite sử dụng làm vật liệu thay cho cốt liệu thô nghiên cứu tính chất học đặc tính kỹ thuật khác Các nghiên cứu thực nghiệm thực bê tông xi măng cách thay cốt liệu thô lên đến 100% Thiết kế hỗn hợp phương pháp thử tuân theo Cục Tiêu chuẩn Ấn Độ Bê tông làm đá quartzite cho cường độ chịu nén tốt so với bê tông thông thường Theo Mark Adom [53] Ghana, đá quartzite khối đá tạo thành núi, địa phương gọi dãy Akwapim cắt ngang khu vực phía đơng kéo dài vào khu vực Volta Khối đá tạo thành phần địa chất khu vực gọi Sê-ri Togo Đá quartzite loại đá giàu thạch anh Đá có ánh thủy tinh màu sắc thay đổi từ màu trắng sang đen, kem, hồng, đỏ xám Việc sử dụng đá quartzite để thay đá granite thơ hướng để bảo tồn tài nguyên thiên nhiên cốt liệu thô thông thường bao gồm đá granite sa thạch Theo Abdullahi M [33] bê tông thường sản xuất từ loại cốt liệu khác Tính chất quan trọng bê tơng cường độ chịu n n Với mục đích nghiên này, ba loại cốt liệu thô: đá quartzite, đá granite sỏi sông sử dụng Cốt liệu mịn cát bình thường Kết thử nghiệm cho thấy bê tơng làm từ sỏi sơng có khả gia công cao nhất, từ đá quartzite nghiền đá granite nghiền Cường độ chịu n n cao ngày tuổi đạt với bê tơng làm từ cốt liệu đá quartzite, sau bê tông làm từ cốt liệu sỏi sông bê tông làm từ cốt liệu đá granite nghiền Theo Muhammad Tufail [55] bê tông vật liệu không cháy, nhiệt độ cao có ảnh hưởng đến tính chất học bê tông Nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ cao đến tính chất học bê tông đá vôi, bê tông đá quartzite bê tông đá granite Kết bê tơng làm từ cốt liệu granite có tính chất học cao nhiệt độ, bê tông đá quartzite bê tông đá vôi Theo NIST [56] nghiên cứu mở rộng so sánh với cốt liệu lấy từ 11 mỏ đá khác khắp nước Mỹ với tập trung chủ yếu bờ biển phía đơng, đặc biệt hành lang MD-VA có mỏ đá quartzite + Theo tài liệu [52] [61]: Đá quartzite thuộc nhóm đá biến chất Thành phần khoáng vật chủ yếu thạch anh Đá có màu trắng, hồng nhạt, vàng xám Đá cứng, khó bị phong hóa lộ ngồi khơng khí Khi nghiên cứu bê tơng cường độ siêu cao người ta thường sử dụng cát quartzite + Theo G.J.VERBECK and W.E.HASS[46]: Hệ số giãn nở nhiệt cốt liệu ảnh hưởng đến giá trị hệ số giãn nở nhiệt bê tơng có chứa cốt liệu đó, hệ số giãn nở nhiệt cốt liệu cao giúp hệ số giãn nở nhiệt bê tông cao Hệ số giãn nở nhiệt thay đổi theo loại đá gốc, phạm vi cho loại đá phổ biến khoảng từ 0.9×10-6/0C đến16×10-6/0C (0.5×10-6/0F đến 8.9 ×10-6/0F) + Theo R.RHOADES and R.C.MIELENZ [59]: Với loại đá khác có hệ số giãn nở nhiệt khác + Theo D G R BONNELL and F C HARPER [43]: Giá trị hệ số giãn nở nhiệt bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite bảo dưỡng môi trường nước thấp giá trị hệ số giãn nở nhiệt bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite không bảo dưỡng 1.7.2 Các nghiên cứu đá quartzite bê tông xi măng mặt đƣờng sử dụng đá quartzite Việt Nam + Cơng trình nghiên cứu thành phần, tính chất học bê tơng cường độ siêu cao ứng dụng kết cấu cầu NCS Nguyễn Lộc Kha thực [25] đề cập tới sử dụng cát quartzite nghiền từ đá quartzite để chế tạo bê tông cường độ siêu cao từ 120 đến 140 MPa + Theo cơng trình nghiên cứu [22] GS Phạm Duy Hữu cộng Trường Đại học GTVT đá quartzite thuộc nhóm đá biến chất 1.8 Kết luận chƣơng định hƣớng nghiên cứu luận án CHƢƠNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE Ở THANH SƠN, PHÚ THỌ VÀ CÁC VẬT LIỆU KHÁC 2.1 Khái quát chung cốt liệu Cốt liệu loại vật liệu đá dạng hạt có nguồn gốc tự nhiên nhân tạo cát, sỏi, đá nghiền, có hình dạng kích thước khác nhau, sử dụng sản xuất bê tông xi măng, vữa xây dựng, bê tông atphan, làm đường sắt, đường bộ, [19], [21], [48] Để nghiên cứu sử dụng cốt liệu đá quartzite mỏ Thanh Sơn, Phú Thọ loại vật liệu chế tạo bê tông xi măng mặt đường tác giả tiến hành nghiên cứu hệ thống khai thác công nghệ chế biến đá quartzite phần trình bày 2.2 Hệ thống hai thác đá quartzite 2.2.1 Cơ sở lựa chọn hệ thống hai thác đá quartzite Các lựa chọn hệ thống khai thác đá quartzite mỏ Thanh Sơn, Phú Thọ dựa vào điều kiện thực tế mỏ theo [2] 2.2.2 Phƣơng án hai thác đá quartzite 2.3 Công nghệ chế biến đá quartzite 2.3.1 Cơ sở để lựa chọn công nghệ chế biến đá quartzite: Mỏ Thanh Sơn, Phú Thọ chọn công nghệ chế biến đá quartzite sau: Thông qua khoan nổ mìn đá quartzite nguyên liệu xúc bốc trực tiếp lên ơtơ vận chuyển trạm đập phía Đông Bắc, nghiền sàng thành sản phẩm cát, đá 2.3.2 Sơ đồ công nghệ lựa chọn tiêu èm Sơ đồ công nghệ chế biến đá quartzite Hình 2.3 Sau chế biến cho ta sản phẩm đá quartzite cát quartzite Hình 2.4 Hình 2.4 Sản phẩm đá quartzite cát quartzite 2.4 Phân tích thành phần hóa học đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ Sau nghiên cứu đặc điểm địa chất mỏ đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ tác giả tiến hành phân tích thành phần hóa học đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ Bảng 2.1 Bảng kết phân tích tồn phần thành phần hóa học STT Tên tiêu khống hóa Kết Đơn vị SiO2 96,95 % Fe2O3 0,32 % Al2O3 1,80 % CaO 0,00 % MgO 0,00 % SO3 0,00 % K2O 0,21 % 11 Bảng 2.18 Bảng tổng hợp kết thí nghiệm cát quartzite TCVN7572-6:2006 Kết 1590 Đánh giá Đạt ≥ 2500 TCVN7572-4:2006 2650 Đạt ≤ 2,5 ≥ 80 ≤ 2,0 TCVN7572-4:2006 TCVN7572-11:2006 TCVN7572-8:2006 1,19 100 1,84 Đạt Đạt Đạt STT Chỉ tiêu Đơn vị Mức Phương pháp thử Khối lượng thể tích Khối lượng riêng Độ hút nước Mác đá gốc Hàm lượng bụi, bùn, s t Mô đun độ lớn Thành phần hạt Kg/m3 ≥ 1350 Kg/m3 % MPa % 2,94 Đạt Biểu Đạt đồ Nhận x t: Kết khảo sát thí nghiệm đá mỏ hồn tồn sử dụng nguồn vật liệu để chế tạo bê tông xi măng mặt đường 2.5.2.4 Nƣớc dùng để chế tạo bê tông xi măng Nước để chế tạo bê tơng phải có đủ phẩm chất phù hợp với TCVN 4506:2012 [14] 2.6 Vật liệu chế tạo BTXM sử dụng đá vôi Để làm sở nghiên cứu, đối chứng với BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite tác giả nghiên cứu thực nghiệm với BTXM sử dụng cốt liệu đá vôi cát Sông Lơ Kết thí nghiệm tiêu kỹ thuật loại vật liệu sau 2.6.1 Cốt liệu lớn đá vôi 5x20 mỏ Minh Quang, Vĩnh Phúc (dùng để đối chứng) Kết thí nghiệm tiêu kỹ thuật tổng hợp theo Bảng 2.20 luận án Kết thí nghiệm cho thấy đáp ứng theo yêu cầu (Mức) định QĐ1951[4] 2.6.2 Cốt liệu nhỏ cát Sơng Lơ, Việt Trì Phú Thọ Cốt liệu nhỏ sử dụng luận án cát Sơng Lơ Kết thí nghiệm tiêu lý cát Sông Lô tổng hợp theo Bảng 2.22 luận án Kết thí nghiệm cho thấy đáp ứng theo yêu cầu (Mức) định QĐ1951[4] 2.7 Kết luận chƣơng CHƢƠNG THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG XI MĂNG LÀM MẶT ĐƢỜNG Ô TÔ SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE THANH SƠN, PHÚ THỌ VÀ XÁC ĐỊNH CƢỜNG ĐỘ CHỊU NÉN, CƢỜNG ĐỘ KÉO UỐN, MÔ ĐUN ĐÀN HỒI - 2,2-3,5 - TCVN7572-2:2006 TCVN7572-2:2006 12 3.1 Thiết kế thành phần bê tông xi măng làm mặt đƣờng ô tô sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ 3.1.1 Sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm xác định yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ bê tông xi măng làm đƣờng, tính tốn tỷ lệ N/X 3.1.1.1 Chọn thơng số nghiên cứu a Lựa chọn hàm mục tiêu: Theo tài liệu [30], [31] tiêu đầu dùng để đánh giá đối tượng thường gọi hàm mục tiêu Áp dụng quy hoạch thực nghiệm để tính tốn dựa kế hoạch thực nghiệm khoa học để lựa chọn thành phần BT M nhằm thỏa mãn hàm mục tiêu cường độ chịu n n BT M: y1 = f ( x1, x2, x1x2 ) với x1, x2, x1x2 biến số cường độ k o uốn BTXM: y2 = f ( x1, x2, x1x2 ) với x1, x2, x1x2 biến số b Lựa chọn yếu tố ảnh hưởng: Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu n n cường độ k o uốn BT M bao gồm nhiều yếu tố như: Chất lượng cốt liệu, cường độ xi măng, tỷ lệ D C tỷ lệ N Do sử dụng loại xi măng x t cốt liệu đá quartzite nên cường độ xi măng không đổi Như ảnh hưởng rõ rệt đến hàm mục tiêu gồm yếu tố: X1: Tỷ lệ đá cát (ký hiệu D C) X2: Tỷ lệ xi măng nước (ký hiệu N) Kế hoạch thực nghiệm bao gồm điểm thí nghiệm, gọi điểm kế hoạch Các giá trị cụ thể yếu tố vào ấn định điểm kế hoạch, gọi mức yếu tố, có mức trên, mức dưới, mức sở Mức sở X0j yếu tố điều kiện thí nghiệm mà người nghiên cứu quan tâm đặc biệt Cùng với mức yếu tố vào ta phải xác định khoảng (bước) thay đổi yếu tố vào Δ j, Dựa vào cấp phối BT M số nước khảo sát số cơng trình Việt Nam, luận án chọn giá trị biến thiên yếu tố ảnh hưởng (1,4 ≤ ≤2,0); X2 (2,5 ≤ X2 ≤3,5) với X10 = 1,7; X20 = 3,0; Δ 1= 0,3; Δ 2= 0,5 Bảng 3.1 Giá trị khoảng biến thiên yếu tố ảnh hưởng Giá trị X1 X2 Khoảng biến thiên 1,4 ≤ ≤2,0 2,5 ≤ ≤3,5 X0j 1,7 3,0 Δ j 0,3 0,5 Để thuận tiện cho việc tính hệ số thực nghiệm mơ hình tốn hồi quy tiến hành bước xử lý số liệu khác, ta chuyển sang giá trị mã hóa khơng thứ ngun, với giá trị cận cận +1 -1, giá trị trung bình: x0j = (gốc tọa độ) Vì khơng có thơng tin tiên nghiệm nên phải xuất phát từ mơ tả tuyến tính Các kết thực nghiệm theo kế hoạch bậc hai mức tối ưu Box-Wilson 13 gọi kế hoạch toàn phần hay kế hoạch k Số tổ hợp yếu tố với hai mức N = 2k = 22 = Phương trình hồi quy tuyến tính mơ tả có dạng: y = b0 + b1x1+ b2x2 + b12x1x2 (3.1) 3.1.1.2 Bảng kế hoạch thực nghiệm tương quan mã thực biến mã hóa Bảng 3.2 Bảng kế hoạch thực nghiệm tương quan mã thực biến mã hóa PA thí Biến thực Biến mã hóa y1 y2 nghiệm (MPa) (MPa) X1 X2 x0 x1 x2 x1x2 1,4 2,5 + + y11 y12 2,0 2,5 + + y21 y22 1,4 3,5 + + y31 y32 2,0 3,5 + + + + y41 y42 Với y1 y2 cường độ chịu n n cường độ kéo uốn bê tông, b tham số mô tả xác định theo công thức (3.2) luận án Để kiểm tra tính có nghĩa tham số, cần làm thí nghiệm lặp tâm kế hoạch, Bảng 3.3 đây: Bảng 3.3 Kế hoạch thực nghiệm tâm PA thí Biến thực Biến mã hóa y1 y2 nghiệm (MPa) (MPa) X1 X2 x01 x02 1,7 3,0 0 y110 y120 1,7 3,0 0 y21 y22 Để xác định giá trị y1 ( cường độ chịu n n) y2 ( cường độ k o uốn) để tính theo quy hoạch thực nghiệm ta phải thiết kế thành phần bê tơng xi măng làm thí nghiệm xác định cường độ chịu n n, cường độ k o uốn bê tông xi măng phần 3.1.1.3 Thiết ế thành phần bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ Ta thiết kế thành phần bê tông xi măng cho hỗn hợp: + Hỗn hợp có số liệu sau: Bê tông cấp 40, xi măng chinfon PCB40, cốt liệu lớn: đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, cốt liệu nhỏ: cát quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, độ sụt gốc 4cm, tỷ lệ D/C=1,4; X/N=2,5 Ta có thành phần vật liệu cho hỗn hợp sau: N = 185 (lít), X = 463 (kg), C = 711(kg), D = 996(kg) + Hỗn hợp có số liệu sau: Bê tông cấp 40, xi măng chinfon PCB40, cốt liệu lớn: đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, cốt liệu nhỏ: cát quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, độ sụt gốc 4cm, tỷ lệ D/C=2,0; X/N=2,5 Ta có thành phần vật liệu cho hỗn hợp sau: N = 185 (lít), X = 463 (kg), C = 569(kg), D = 1138(kg) + Hỗn hợp có số liệu sau: Bê tông cấp 40, xi măng chinfon PCB40, cốt liệu lớn: đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, cốt liệu nhỏ: cát quartzite Thanh Sơn, 14 Phú Thọ, độ sụt gốc 4cm, tỷ lệ D/C=1,4; X/N=3,5 Ta có thành phần vật liệu cho hỗn hợp sau: N = 150 (lít), X = 525 (kg), C = 700(kg), D = 980(kg) + Hỗn hợp có số liệu sau: Bê tông cấp 40, xi măng chinfon PCB40, cốt liệu lớn: đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, cốt liệu nhỏ: cát quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, độ sụt gốc 4cm, tỷ lệ D/C=2,0; X/N=3,5 Ta có thành phần vật liệu cho hỗn hợp sau: N = 150 (lít), X = 525 (kg), C = 560(kg), D = 1120(kg) + Hỗn hợp có số liệu sau: Bê tông cấp 40, xi măng chinfon PCB40, cốt liệu lớn: đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, cốt liệu nhỏ: cát quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, độ sụt gốc 4cm, tỷ lệ D/C=1,7; X/N=3,0 Ta có thành phần vật liệu cho hỗn hợp sau: N = 165 (lít), X = 495 (kg), C = 628(kg), D = 1067(kg) + Hỗn hợp có số liệu giống hỗn hợp nên có thành phần vật liệu giống hỗn hợp tức là: N = 165 (lít), X = 495 (kg), C = 628(kg), D = 1067(kg) Hỗn hợp hỗn hợp mà tác giả chọn ngẫu nhiên để thiết kế thành phần bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi sau Việc chọn thiết kế thành phần bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vơi với mục đích dễ so sánh đối chứng, đánh giá Các thí nghiệm cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt theo thiết kế thành phần hỗn hợp Nhận x t: Bằng quy hoạch thực nghiệm ta tìm thành phần cấp phối bê tơng cấp 40 số liệu 3.1.1.4 Thí nghiệm xác định tính chất lý bê tông xi măng làm đƣờng sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ theo quy hoạch thực nghiệm + Độ sụt dùng để đánh giá khả dễ chảy hỗn hợp bê tông tác dụng trọng lượng thân rung động Độ sụt xác theo TCVN 3106-93 [7] Kết thí nghiệm độ sụt theo Phụ lục tổng hợp theo Bảng 3.9 Bảng 3.9 Kết độ sụt theo quy hoạch thực nghiệm Thứ tự Độ sụt trung bình (cm) Hỗn hợp 3,2 Hỗn hợp 3,1 Hỗn hợp 3,6 Hỗn hợp 3,7 Hỗn hợp 5, 3,4 + Việc đúc mẫu, bảo dưỡng chọn kích thước viên mẫu thử tiến hành theo TCVN 3105-93 [6] Hình ảnh cơng tác đúc mẫu, bảo dưỡng 15 Hình 3.2 Cơng tác đúc mẫu Hình 3.3 Cơng tác bảo dưỡng vớt mẫu + Thí nghiệm xác định cường độ chịu n n cường độ k o uốn Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, kéo uốn bê tông xi măng tác giả thực theo TCVN 3118-93 [8] TCVN 3119-93 [9] Hình ảnh cơng tác thí nghiệm cường độ chịu nén, kéo uốn bê tơng xi măng Hình 3.4 Thí nghiệm n n mẫu Hình 3.5 Thí nghiệm k o uốn mẫu Kết thí nghiệm cường độ chịu n n tổng hợp Bảng 3.10 Bảng 3.10 Kết cường độ chịu nén bê tông STT Hỗn hợp bê tông Cường độ chịu n n trung bình (MPa) Hỗn hợp 41.14 Hỗn hợp 43.58 Hỗn hợp 60.60 Hỗn hợp 62.50 Hỗn hợp 52.70 Hỗn hợp 50.80 Kết thí nghiệm cường độ kéo uốn tổng hợp Bảng 3.11dưới Bảng 3.11 Kết cường độ kéo uốn bê tông STT Hỗn hợp bê tông Cường độ k o uốn trung bình (MPa) Hỗn hợp 5.26 Hỗn hợp 5.28 Hỗn hợp 6.23 Hỗn hợp 6.32 Hỗn hợp 5.81 Hỗn hợp 5.7 Nhận x t: Với kết thí nghiệm, kết đánh giá theo định QĐ1951[4] chứng tỏ bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đạt yêu cầu cường độ k o uốn 16 + Thí nghiệm mơ đun đàn hồi: Thí nghiệm mô đun đàn hồi thực theo TCVN 5276-93 [10] Để có số liệu phục vụ cho việc tính tốn chương sau tác giả thí nghiệm mơ đun đàn hồi cho bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite có thiết kế thành phần giống hỗn hợp với =495kg, Đ=1067kg, N=165lít, C=628 kg Kết thí nghiệm mơ đun đàn hồi tổng hợp theo Bảng 3.12 Bảng 3.12 Mô đun đàn hồi bê tông đá quartzite Mẫu ε0 σ0 (MPa) ε1 σ1 (MPa) Mô đun đàn hồi E (MPa) Mẫu 10.7 x10-6 0.05 446 x10-6 16.00 36641.4 Mẫu 3.8 x10-6 0.05 479 x10-6 16.00 33564.81 Mẫu 8.9 x10-6 0.05 437 x10-6 16.00 37257.65 ETB: 35821.29 3.1.1.5 Q trình tính theo quy hoạch thực nghiệm Q trình tính theo quy hoạch thực nghiệm mô tả chi tiết luận án Bằng quy hoạch thực nghiệm tác giả tìm phương trình hồi quy mơ tả mối quan hệ hàm mục tiêu: cường độ chịu n n y1, cường độ k o uốn y2 với yếu tố ảnh hưởng tỷ lệ N, hai phương trình hồi quy là: y1  19,19 X  5,62  2,5  X  3,5 y2  X  2,77  2,5  X  3,5 Công thức biểu thị quan hệ Rn tỷ lệ X Rn  19,19  5, 62 N Công thức dùng để tính N N sau: thiết kế thành phần bê tông đá quartzite phần sau 3.1.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi mỏ Minh Quang, Vĩnh Phúc Nhằm phục vụ việc so sánh bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vơi, giúp cho việc tính tốn phân tích chương sau tác giả sử dụng thiết kế thành phần bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi giống thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite với = 495 kg, Đ = 1067kg, N = 165 lít, C = 628 kg Kết thí nghiệm cường độ chịu n n, cường độ kéo uốn bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi theo Phụ lục 9, kết thí nghiệm mơ đun đàn hồi theo Phụ lục luận án Nhận xét: Kết thí nghiệm cường độ chịu n n, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi bê tông xi măng cho thấy chất lượng bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite tốt đạt yêu cầu tương đương với bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vơi, sử dụng tốt bê tơng xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite xây dựng đường 3.1.3 Thiết ế thành phần bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite 17 Thanh Sơn-Phú Thọ theo phƣơng pháp ACI 211.1.91 [34] 3.1.3.1 Thiết ế thành phần bê tông xi măng Tác giả thiết kế thành phần bê tông cấp 40 với số liệu sau: Cốt liệu lớn đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ có Dmax = 20mm ( đá 5x20mm ), cốt liệu nhỏ cát quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, xi măng chinfon PCB40 Tỉ lệ N/X=0,358 xác định theo phương trình hồi quy từ quy hoạch thực nghiệm (cơng thức 3.10) Ta có thành phần vật liệu hỗn hợp bê tơng sau : N=165(lít), X=461(kg), C= 618(kg); D=1111(kg) 3.1.3.2 Thí nghiệm xác định tính chất lý bê tông Đo kiểm tra độ sụt bê tông trước đúc mẫu bảo dưỡng thí nghiệm, kết độ sụt trung bình 3,6 cm (số liệu Bảng 3.19 luận án) + Cường độ chịu n n.: Kết cường độ chịu n n bê tông xi măng theo Bảng 3.20 luận án Sau có kết thí nghiệm tác giả tiến hành đánh giá kết thí nghiệm: Cường độ trung bình X  49,87 MPa, độ lệch chuẩn S = 4,876 MPa, Hệ số phân tán: CV  S / X  0, 098 , Rđt = Xo = X - 1,64.S=41,9 40 đạt yêu cầu + Cường độ k o uốn: Ta có số liệu cường độ k o uốn bê tông theo Bảng 3.22 luận án Việc đánh giá chất lượng bê tông theo định QĐ1951[4] cho thấy bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đạt yêu cầu cường độ k o uốn + Xác định hệ số K công thức quan hệ cường độ chịu n n cường độ k o uốn bê tông: Quan hệ cường độ chịu n n cường độ k o uốn bê tông biểu thị công thức (3.13)[19] Kết thí nghiệm tính tốn cho thấy hệ số K quan hệ cường độ chịu n n cường độ k o uốn theo thí nghiệm lớn hệ số K theo quy định tức là: Ktn > Kqd = 0,7 Như thực tế dùng hệ số K = 0,7 đảm bảo an toàn 3.1.4 Kết luận chƣơng CHƢƠNG NGHIÊN CỨU HỆ SỐ GIÃN NỞ NHIỆT CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG, NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE THANH SƠN, PHÚ THỌ 4.1 Tính ứng xử nhiệt bê tông xi măng mặt đƣờng 4.1.1 Tổng quan hiệu ứng nhiệt (tác động nhiệt độ) 4.1.2 Cơ sở mô tả nhiệt độ 4.1.3 Điều kiện biên 4.1.4 Mơ hình trao đổi nhiệt số liệu đầu vào 4.2 Tính tốn hệ số giãn nở nhiệt Một ảnh hưởng nhiệt độ trình hình thành cường độ bê tông kết cấu đặc trưng hệ số giãn nở nhiệt (CTE) 4.2.1 Hệ số giãn nở nhiệt hồ xi măng 18 Hệ số giãn nở nhiệt hồ xi măng nằm khoảng từ 18 đến 20µ/°C 4.2.2 Hệ số giãn nở nhiệt cốt liệu Thông thường, hệ số giãn nở nhiệt cốt liệu không lớn hệ số giãn nở nhiệt hình thành cường độ xi măng Pooc lăng [54] Hệ số giãn nở nhiệt phụ thuộc vào thành phần hóa học thành phần khống vật cốt liệu [44] Hệ số giãn nở nhiệt đá vôi khoảng từ 4-8µε °C sỏi từ 7-12µε/°C [47] 4.2.3 Hệ số giãn nở nhiệt bê tông Nghiên cứu trước hệ số giãn nở nhiệt bê tơng hình thành cường độ phụ thuộc vào thể tích cốt liệu lớn hồ xi măng [43] Bằng cách sử dụng loại xi măng, loại cốt liệu, thiết kế thành phần công thức quan hệ hệ số giãn nở nhiệt hàm độ tuổi bê tông thành lập (4.12) Ta tham khảo giá trị hệ số giãn nở nhiệt bê tông theo Hak Chul Shin [49] tham khảo giá trị theo QĐ3230[5] GTVT 4.2.4 Hệ số giãn nở nhiệt bê tông xi măng theo tài liệu[58] Tỷ lệ X/C có ảnh hưởng đến hệ số giãn nở nhiệt bê tơng Hình 4.4 Quan hệ CTE cốt liệu CTE bê tông [58] Nhận xét: Từ hình 4.4 cho thấy hệ số giãn nở nhiệt bê tông đá vôi không bảo dưỡng bê tông đá vôi bảo dưỡng môi trường nước tương đương, giá trị khoảng 7,2(10-6/0C) Giá trị hệ số giãn nở nhiệt bê tông đá quartzite bảo dưỡng môi trường nước khoảng 12,3(10-6/0C) giá trị hệ số giãn nở nhiệt bê tông đá quartzite không bảo dưỡng khoảng 12,8(10-6/0C) Giá trị tăng khoảng 4% so với phương pháp bảo dưỡng môi trường nước 4.3 Ứng suất mặt đƣờng bê tông xi măng 4.3.1 Ứng suất mặt đƣờng bê tông xi măng giai đoạn tuổi sớm 4.3.2 Ứng suất bê tông theo tiêu chuẩn hành 4.4 Cơng thức tính hệ số giãn nở nhiệt bê tông xi măng theo AASHTO TP 60 (2006) [32] Cơng thức tính hệ số giãn nở nhiệt sau: (4.19) 19 Trong đó: ∆La = Chiều dài thay đổi thực mẫu thử trình thay đổi nhiệt độ, mm; Lo= Chiều dài mẫu thử nhiệt độ phòng, mm; ∆T= độ biến thiên nhiệt độ Kết thí nghiệm lấy giá trị trung bình hệ số giãn nở nhiệt CTE1  CTE2 thu từ phân đoạn thí nghiệm: CTE  4.5 Thí nghiệm xác định biến dạng hệ số giãn nở nhiệt bê tông xi măng theo AASHTO TP 60 ( 2006 ) Hiện giới sử dụng phương pháp xác định hệ số giãn nở nhiệt bê tông xi măng theo AASHTO T336-15 Do Việt Nam chưa có mẫu vật chuẩn để định chuẩn hệ số giãn nở nhiệt nên NCS sử dụng AASHTO TP 60 (2006) Việc thí nghiệm theo AASHTO TP 60 (2006) tuân thủ theo quy định AASHTO T336-15, khuyến nghị sử dụng dùng AASHTO TP 60 (2006) theo tài liệu [32] 4.5.1 Thiết bị thí nghiệm Việc tạo mẫu thí nghiệm thực phòng thí nghiệm Trường Đại học Công nghệ GTVT với thiết bị sau: Máy đo SDA–830B (hãng TML–Nhật Bản ) sử dụng đầu đo LVDT, bể ổn định nhiệt, cân điện tử, nhiệt kế, khn trụ đường kính 100 mm, chiều cao 200 mm, thước kẹp điện tử, định vị đầu đo 4.5.2 Giới thiệu máy đo biến dạng Hình 4.8 Máy đo biến dạng SDA - 830B 4.5.3 Chuẩn bị mẫu thử Để tiện cho việc so sánh đối chứng loại cốt liệu nên tác giả sử dụng bê tông xi măng cốt liệu đá quartzite bê tông xi măng cốt liệu đá vôi có thiết kế thành phần bê tơng = 495 kg, Đ = 1067kg, N = 165 lít, C = 628 kg, mẫu đo theo ngày tuổi, mẫu hình trụ đường kính 100 mm, chiều cao 200 mm 4.5.4 Trình tự thí nghiệm Trình tự thí nghiệm mơ tả chi tiết luận án Hình4.12.Mẫu thí nghiệm Hình4.13.Đo chiều dài mẫu Hình4.14.Mẫu ủ lạnh 20 Hình 4.18 Vận hành thiết bị đo Hình 4.19 Máy tính hiển thị số liệu 4.6 Kết thí nghiệm: Q trình thí nghiệm cho ta kết bảng Phụ lục 10 Từ kết thí nghiệm cho thấy bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite theo 3, 7, 14, 28 ngày tuổi có hệ số giãn nở nhiệt 11,1925; 11,2248; 11,2200; 11,1819 (10-6/ 0C ), bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi theo 3, 7, 14, 28 ngày tuổi có hệ số giãn nở nhiệt 7,4791; 7,3830; 7,3996; 7,4132 (10-6/ 0C ) 4.7 Phân tích kết thí nghiệm CTE (10-6/OC) CTE phụ thuộc vào độ tuổi 12 10 14 ngày 28 ngày Đá quartzite Đá vơi Hình 4.20 Biểu đồ quan hệ hệ số giãn nở nhiệt độ tuổi bê tông Nhận xét: Dựa vào kết thí nghiệm biểu đồ Hình 4.20 ta thấy hệ số giãn nở nhiệt bê tông đá quartzite bê tông đá vôi không phụ thuộc vào số ngày tuổi bê tông CTE phụ thuộc vào loại cốt liệu 12.00 CTE (10-6/0C) 10.00 8.00 Đá quartzite 6.00 4.00 Đá vôi 2.00 0.00 14 ngày 28 ngày Hình 4.21 Biểu đồ quan hệ hệ số giãn nở nhiệt loại cốt liệu bê tông 21 Nhận xét: Hệ số giãn nở nhiệt bê tông phụ thuộc vào loại cốt liệu, bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite có hệ số giãn nở nhiệt cao bê tơng sử dụng cốt liệu đá vơi 4.8 Phân tích ảnh hƣởng ích thƣớc BTXM, cốt liệu đá quartzite đến cƣờng độ ứng suất nhiệt mặt đƣờng bê tông xi măng Trong luận án tác giả tính tốn bê tơng xi măng theo định QĐ3230[5] Trong phần tính tốn bê tơng xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite tác giả có sử dụng kết thí nghiệm hệ số giãn nở nhiệt CTE BT M đá vôi BT M đá quartzite đo 28 ngày tuổi để tính ứng suất k o uốn lớn gradien nhiệt gây [σtmax] (MPa) với lưu ý hệ số giãn nở nhiệt αc QĐ3230[5] hệ số giãn nở nhiệt CTE thí nghiệm Mục 4.6 luận án 4.8.1 Tính tốn thiết kế BTXM mặt đƣờng 4.8.2 Tính tốn với BTXM có ích thƣớc 4,5m x 3,5m x 0,25m sử dụng cốt liệu đá vơi 4.8.3 Tính tốn với BTXM có ích thƣớc 4,5m x 3,5m x 0,25m sử dụng cốt liệu đá quartzite 4.9 Phân tích kết 4.9.1 Phân tích ảnh hưởng cốt liệu đến phát triển cường độ bê tông + Nhận x t: Cường độ chịu k o bê tông đá vôi 98,9% bê tơng đá quartzite 4.9.2 Phân tích ảnh hƣởng cốt liệu đến phát triển ứng suất nhiệt + Nhận x t: Kích thước 4m x 3,5m x 0,25m ứng suất nhiệt bê tông đá vôi đạt 66,41% so với bê tông đá quartzite, kích thước 4,5m x 3,5m x 0,25m ứng suất nhiệt bê tơng đá vơi đạt 66,23% so với bê tông đá quartzite 4.9.3 Phân tích ảnh hƣởng ích thƣớc đến khả háng nứt mặt đƣờng bê tông xi măng Nhận x t: Với mặt đường bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite tỷ số [σp,t max] / Rku % 16,46%; với mặt đường bê tơng xi măng sử dụng cốt liệu đá vơi tỷ số [σp,t max] / Rku % 11,05% Khi thiết kế thành phần bê tơng sử dụng cốt liệu đá quartzite tăng đồng thời cường độ ứng suất nhiệt so với bê tông sử dụng cốt liệu đá vơi Trong cường độ chịu k o tăng 1,1% ứng suất nhiệt lớn tăng 33,59% Do yếu tố nên mặt đường bê tơng sử dụng cốt liệu đá quartzite có nguy sảy nứt mặt cao mặt đường bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi, tỷ lệ chênh lệch gây nứt bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite cao bê tông sử dụng cốt liệu đá vơi 5,41% Kích thước chiều dài bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên chọn nhỏ kích thước 22 chiều dài bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vơi Kích thước chiều dài bê tơng xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên chọn 3,8m 4.9.4 Kết luận 4.10 Phân tích hiệu kinh tế, kỹ thuật mặt đƣờng BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ 4.10.1 Khả đáp ứng cƣờng độ Cường độ đặc tính quan trọng bê tông xi măng mặt đường đánh giá tiêu cường độ chịu n n, cường độ k o uốn, mô đun đàn hồi Các kết thí nghiệm tác giả tổng hợp theo Bảng 4.24 luận án có so sánh với yêu cầu đường cấp III định QĐ3230[5] Bảng 4.24 Bảng tổng hợp cường độ bê tông TT Chỉ tiêu Bê tông đá quartzite Bê tông đá vôi Yêu cầu Cường độ chịu n n (MPa) 50,8 49,83 ≥36 Cường độ k o uốn (MPa) 5,7 5,64 ≥4,5 Mô đun đàn hồi (MPa) 35821,29 35469,69 ≥29000 Đánh giá Đáp ứng yêu cầu Nhận x t: Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đáp ứng yêu cầu cường độ theo quy định 4.10.2 Phân tích hiệu kinh tế + Để phân tích hiệu kinh tế mặt đường BT M sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ Tác giả giả định tuyến đường cấp III có chiều dài L=1km, chiều rộng mặt đường B = 7m, chiều dày trung bình h = 0,25m Thể tích bê tơng cần dùng V = 1750m3 Căn vào thiết kế thành phần vật liệu cho 1m bê tơng tác giả tính khối lượng vật liệu cho 1km đường Bảng 4.25 luận án + Để phân tích hiệu kinh tế tác giả tiến hành đánh giá mặt giá thành vật liệu với đơn giá khu vực Phú Thọ thời điểm quý II năm 2017 cho ta số liệu Bảng 4.26 luận án Kết cho thấy: Giá thành bê tông đá quartzite 845355,94 (đ/m3), giá thành bê tông đá vôi 917510,43 (đ/m3) Nhận x t: Giá thành vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite rẻ giá thành vật liệu bê tơng sử dụng cốt liệu đá vơi Có thể sử dụng cốt liệu đá quartzite bê tông để tận dụng khai thác vật liệu địa phương, giá thành hạ, đẩy mạnh phát triển kinh tế khu vực 4.11 Kết luận chƣơng KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP Kết luận 23 Qua trình nghiên cứu sử dụng đá quartzite làm cốt liệu cho bê tông xi măng mặt đường Tác giả đưa kết luận sau: 1.1 Khẳng định vật liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ loại cốt liệu chất lượng cao, trữ lượng lớn 10 triệu mà từ trước tới chưa có nghiên cứu để sử dụng cốt liệu chế tạo BTXM mặt đường Việc khai thác tận dụng vật liệu địa phương để chế tạo bê tông xây dựng đường cấp thiết để hạn chế vận chuyển loại cốt liệu làm tăng giá thành xây dựng, hiệu khai thác sử dụng cao Khẳng định vật liệu phù hợp với tiêu chuẩn hành sử dụng để chế tạo BTXM mặt đường ( x t điều kiện tiêu nghiên cứu, thí nghiệm luận án ) Phạm vi sử dụng đá quartzite BT M sử dụng cốt liệu là: đường cấp III, có quy mơ giao thơng cấp nặng, đá quartzite thay hồn tồn đá vơi 1.2 Bằng quy hoạch thực nghiệm tác giả tìm phương trình hồi quy mơ tả mối quan hệ hàm mục tiêu: cường độ chịu n n, cường độ k o uốn với yếu tố ảnh hưởng tỷ lệ N, hai phương trình hồi quy là: y1  19,19 X  5,62 y2  X  2,77  2,5  X  3,5  2,5  X  3,5 Thiết kế thành phần bê tông xi măng cấp 40 sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ theo phương pháp ACI 211.1.91 với tỷ lệ N chọn theo công thức (3.10) xác lập theo quy hoạch thực nghiệm 1.3 Các kết thí nghiệm cường độ chịu n n, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ sụt BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite cho thấy chất lượng bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite tốt đạt yêu cầu tương đương với bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vơi 1.4 Nghiên cứu đặc tính nhiệt BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite Thông qua thực nghiệm tác giả xác định biến dạng hệ số giãn nở nhiệt bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi theo ngày tuổi máy đo biến dạng SDA – 830B cụ thể sau: - Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite theo 3, 7, 14, 28 ngày tuổi có hệ số giãn nở nhiệt 11,1925; 11,2248; 11,2200; 11,1819 (10-6/0C ) - Bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi theo 3, 7, 14, 28 ngày tuổi có hệ số giãn nở nhiệt 7,4791; 7,3830; 7,3996; 7,4132(10-6/0C ) - Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite có hệ số giãn nở nhiệt lớn bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi (lớn 1,5 lần 28 ngày tuổi) 1.5 Tính tốn bê tơng xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite cốt liệu đá vơi với kích thước dự kiến 4m x 3,5m x 0,25m, kích thước 4,5m x 3,5m x 0,25m, theo định QĐ3230 Bộ Giao thông vận tải 24 - Kết tính tốn cho thấy BT M đạt yêu cầu cường độ, ứng suất nhiệt, ứng suất gây mỏi - Khi thiết kế thành phần bê tơng sử dụng cốt liệu đá quartzite tăng đồng thời cường độ ứng suất nhiệt so với bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi Trong cường độ chịu k o tăng 1,1% ứng suất nhiệt lớn tăng 33,59% - Do yếu tố nên mặt đường bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite có nguy sảy nứt mặt cao mặt đường bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi, tỷ lệ chênh lệch gây nứt bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite cao bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi 5,41% - Kích thước chiều dài bê tơng xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên chọn nhỏ kích thước chiều dài bê tơng xi măng sử dụng cốt liệu đá vơi Kích thước chiều dài bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên chọn 3,8m - Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đáp ứng yêu cầu cường độ, hiệu kinh tế tốt giá thành vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite rẻ so với giá thành vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi Kiến nghị hƣớng nghiên cứu tiếp 2.1 Các kết thí nghiệm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo uốn, mô đun đàn hồi, độ sụt BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite, đá vơi có tác dụng tham khảo tốt giảng dạy, thiết kế, thi cơng cơng trình giao thơng đường ô tô sau 2.2 Kiến nghị đưa giá trị hệ số giãn nở nhiệt bê tông đá quartzite vào QĐ3230 Bộ Giao thông vận tải 2.3 Kiến nghị xây dựng tiêu chuẩn đặc tính nhiệt BT M 2.4 Nội dung thiết kế thành phần vật liệu thử nghiệm xác định tính BT M đá quartzite dừng lại việc áp dụng cho đường tơ cấp III Vì nghiên cứu giải pháp để ứng dụng làm mặt đường cấp cao, đường cao tốc 2.5 Trong tương lai tiếp tục nghiên cứu phương án thay phần cốt liệu hỗn hợp bê tông quartzite, tiếp tục nghiên cứu vật liệu đá quartzite phong hóa, dùng vật liệu đá quartzite phong hóa lớp móng đường, tiếp tục nghiên cứu vấn đề hàm lượng ion Cl, hàm lượng đá sunfat muối sunfat, phản ứng kiềm đá quartzite, độ mài mòn, khả chịu mỏi CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Ngơ Hồi Thanh, Phạm Duy Hữu, “ Các tiêu kỹ thuật đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ ”, Tạp chí Cầu đường số 10 năm 2015 Ngơ Hồi Thanh, Phạm Duy Hữu, “ Thiết kế thành phần bê tông xi măng làm mặt đường ô tô sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ phương pháp quy hoạch thực nghiệm ”, Tạp chí Cầu đường số 11 năm 2017 Ngơ Hồi Thanh, Phạm Duy Hữu, “ Nghiên cứu đặc tính nhiệt bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ ”, Tạp chí Cầu đường số năm 2018 Ngơ Hồi Thanh, Phạm Duy Hữu, “ Phân tích ảnh hưởng kích thước bê tông xi măng, cốt liệu đá quartzite đến cường độ ứng suất nhiệt mặt đường bê tông xi măng ”, Tạp chí Cầu đường số năm 2018 Ngơ Hồi Thanh, Phạm Duy Hữu, “ Nghiên cứu đặc điểm mỏ đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ ”, Tạp chí Cầu đường số 11 năm 2018 ... mặt đường bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite có nguy sảy nứt mặt cao mặt đường bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi, tỷ lệ chênh lệch gây nứt bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite cao bê tông sử. .. tông xi măng cho thấy chất lượng bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite tốt đạt yêu cầu tương đương với bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vơi, sử dụng tốt bê tông xi măng sử dụng cốt liệu. .. mặt đường bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite có nguy sảy nứt mặt cao mặt đường bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi, tỷ lệ chênh lệch gây nứt bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite cao bê tông sử