Nghiên cứu sử dụng tro bay chưa xử lý trong gia cố cát đen làm móng mặt đường ô tô

ThS. NCS. Bùi Tuấn Anh PGS. TS. Trần Thị Kim Đăng Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Nguyễn Quang Phúc GS. TS. Bùi Xuân Cậy

Tóm tắt: Bài báo trình bày tóm tắt các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm sử dụng tro bay chưa qua xử lý trong gia cố cát hạt nhỏ làm móng mặt đường ô tô.

Từ khóa: Tro bay, cát, móng mặt đường.

Abstract: The paper presents some lab-based researching results of sand treated by cement and high-unburn-cacbon fly ash for road base/subbase construction.

Keywords: Fly ash, high-unburn-cacbon fly ash, sand, road construction.

 

1. Đặt vấn đề

Ở Việt Nam, tro bay nhà máy nhiệt điện thường có hàm lượng than chưa cháy hết (MKN)cao [5]. Việc sử dụng tro bay thương phẩm trong xây dựng công trình nói chung và xây dựng đường ô tô nói riêng ở Việt Nam hiện nay làm tăng giá thành xây dựng do xử lý tro bay rất tốn kém. Nghiên cứu khả năng sử dụng trực tiếp tro bay không qua xử lý, loại mà hiện đang được xem như vật liệu thải, để gia cố vật liệu làm móng mặt đường ô tô mà không làm tăng chi phí xây dựng vì vậy là việc cần thiết và mang ý nghĩa về khoa học và thực tiễn.

2. Các thông tin về nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại Phòng Thí nghiệm Công trình (Trường Đại học GTVT), sử dụng tro bay chưa qua xử lý để gia cố cát đen sông Hồng. Tro bay được lấy trực tiếp từ Nhà máy Nhiệt điện Cao Ngạn (Thái Nguyên).

Các nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Nghiên cứu phân loại tro bay:

+ Thu thập các tài liệu về thành phần hóa học của tro bay nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn.

+ Kết quả dự kiến: Xác định loại tro bay theo phân loại của ASTM C618.

- Nghiên cứu phân loại cát:

+ Thí nghiệm phân loại cát bằng thí nghiệm sàng.

+ Kết quả dự kiến: Xác định loại đất theo phân loại đất xây dựng tại Việt Nam.

- Nghiên cứu khả năng sử dụng tro bay Nhà máy Nhiệt điện Cao Ngạn để gia cố cát mịn sông Hồng.

+ Phương pháp nghiên cứu: Tiến hành các thí nghiệm trong phòng đánh giá khả năng sử dụng tro bay Nhà máy Nhiệt điện Cao Ngạn phối hợp với xi măng để gia cố cát thông qua các chỉ tiêu cơ bản liên quan đến kỹ thuật đường bộ. Các thí nghiệm được lựa chọn đưa vào nghiên cứu bao gồm: Thí nghiệm đầm nén xác định độ ẩm tốt nhất và dung trọng khô lớn nhất, CBR, cường độ nén, cường độ ép chẻ. Tỉ lệ tro bay thay đổi từ 0% đến 25% với bước thay đổi 5%. Tỉ lệ xi măng phối hợp được cố định là 4%. Các tỉ lệ này được tính toán khối lượng cát sử dụng.

+ Kết quả dự kiến: Cơ sở để đánh giá khả năng sử dụng tro bay nhà máy nhiệt điện chưa qua xử lý để làm vật liệu xây dựng móng mặt đường ô tô.

3. Các kết quả nghiên cứu

- Kết quả nghiên cứu phân loại tro bay

Thành phần hóa học của tro bay Nhà máy Nhiệt điện Cao Ngạn theo [3] được thể hiện tại Bảng 3.1. Với tổng hàm lượng SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃= 44,50% < 50% thì tro bay Cao Ngạn không nằm trong phân loại theo ASTM C168. Bên cạnh đó, với hàm lượng than còn dư MKN =26,50% > 6%, hàm lượng SO₃=10,50% >5% vượt nhiều so với tiêu chuẩn thì việc sử dụng tro bay chưa qua xử lý như là thành phần phụ gia của vật liệu bê tông xi măng hay bê tông nhựa là không thể.

Bảng 3.1. Thành phần hóa học của tro bay Nhà máy Nhiệt điện Cao Ngạn

 

Tuy nhiên, với lượng CaO = 13,50% thì khả năng sử dụng trực tiếp loại tro bay này vào gia cố vật liệu làm móng mặt đường có thể khả thi. Khả năng này cần được đánh giá cụ thể qua nghiên cứu thực nghiệm.

- Kết quả nghiên cứu phân loại cát

Kết quả phân tích thành phần hạt của loại cát đen sông Hồng sử dụng trong nghiên cứu được thể hiện tại Hình 3.1.

Hình 3.1: Thành phần cỡ hạt của loại cát đen sông Hồng dùng trong nghiên cứu

 

Với gần như 100% các hạt lọt sàng 2mm và chỉ có 3,6% lượng hạt lọt sàng 0,075mm, theo tiêu chuẩn phân loại đất TCVN 5747:1993 là cát sạch. Tính toán các tỉ lệ C_u và C_c :

 

 

 

Như vậy, cát sử dụng là loại cát cấp phối kém SP.

Theo AASHTO M145 hay ASTM D3282, loại cát đưa vào thí nghiệm là loại cát mịn (A-3), có thể sử dụng cho lớp đỉnh nền đường [5].  

- Kết quả nghiên cứu các chỉ tiêu kỹ thuật đường bộ của hỗn hợp cát gia cố tro bay

Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn

Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn được tiến hành với tất cả các loại hỗn hợp có tỉ lệ tro bay thay đổi từ 0 - 30 % (7 loại). Kết quả khối lượng thể tích khô lớn nhất và độ ẩm tốt nhất được thể hiện trong Hình 3.2.

Hình 3.2: Độ ẩm tốt nhất và khối lượng thể tích khô tương ứng của các mẫu cát gia cố với  tỷ lệ tro bay khác nhau

 

Có thể thấy, độ ẩm tối ưu tăng dần khi hàm lượng tro bay tăng lên. Xu thế này hợp lý cả khi xét tro bay như thành phần gia cố như vật liệu có tính xi măng (cementitious) hay khi xét tro bay như là vật liệu đất. Nếu tro bay hoạt động như vậy liêu có tính xi măng thì lượng nước sẽ cần thiết để cho phản ứng thủy hóa (nếu có), còn nếu xét như vật liệu đất thì với cỡ hạt nhỏ như tro bay rõ ràng sẽ cần hàm lượng nước cao hơn để đầm nén đạt độ chặt lớn nhất.

Khối lượng thể tích khô lớn nhất đạt giá trị cao nhất khi dùng hàm lượng tro bay đến 20%. Tỉ lệ này cho thấy vai trò của tro bay trong hỗn hợp thiên về vật liệu đất nhiều hơn. Tỉ lệ cao lớn của tro bay giúp cát chặt hơn.

Giá trị CBR của các mẫu có hàm lượng tro bay thay đổi, ngâm bão hòa nước trong 96 giờ được thể hiện trong Hình 3.3.

Hình 3.3: Giá trị CBR ứng với khối lượng thể tích khô của mẫu cát gia cố với các tỷ lệ tro bay khác nhau

 

Khi ngâm nước để đạt trạng thái bão hòa, các mẫu cát gia cố tro bay tự vỡ nên không thể thực hiện được các thí nghiệm cường độ nén và cường độ ép chẻ (Hình 3.4).

Hình 3.4: Tình trạng mẫu cát gia cố tro bay trong quá trình ngâm bão hòa nước

 Nhận xét

Càng nhiều tro bay thì độ ẩm đầm nén tối ưu để đầm nén càng tăng lên. Quy luật này là hợp lý. Diễn biến thay đổi độ ẩm đầm nén tối ưu và khối lượng thể tích khô lớn nhất của mẫu cát gia cố tro bay theo hàm lượng tro bay khá tương đồng với đất gia cố tro bay, nhưng khác về tỉ lệ tro bay để đạt khối lượng thể tích khô lớn nhất, là 20% thay vì đối với đất là 5%.

- Hàm lượng tro bay cho hiệu quả gia cố với cát cao nhất đến 20%, với mức độ cải thiện CBR rất đáng kể: Tăng 2,57 lần từ 14,19% lên 36,5%. Giá trị CBR của cát gia cố 20% tro bay lên đến 36,5% đã đạt tới ngưỡng giá trị CBR của vật liệu cấp phối tự nhiên để làm móng dưới cho mặt đường ô tô thông thường (30%).

- Việc sử dụng tro bay chưa qua xử lý như là vật liệu gia cố vô cơ thực thụ, thay thế xi măng là khó khả thi, do với hàm lượng hiệu quả nhất là 20% thì mẫu gia cố vẫn không có khả năng giữ nguyên khối để thí nghiệm cường độ nén hay cường độ ép chẻ như mẫu cát gia cố xi măng hay gia cố vôi.

- Khi tiếp tục tăng hàm lượng tro bay, trị số khối lượng thể tích khô và CBR đều giảm xuống. Tuy nhiên, cho đến hàm lượng 30% thì cả khối lượng thể tích khô lớn nhất và CBR của các mẫu gia cố vẫn cao hơn so với mẫu cát không gia cố (hàm lượng tro bay 0%).

- Tro bay chưa xử lý có thể sử dụng để gia cố cát để làm lớp móng dưới tương đương như cấp phối tự nhiên (cấp phối sỏi đồi hay cấp phối sỏi suối). Tuy nhiên, nếu xét về hiệu quả gia cố, đặc biệt khi tính cả chi phí công nghệ để gia cố) rõ ràng là không cao.

- Kết quả nghiên cứu các chỉ tiêu kỹ thuật hỗn hợp cát + tro bay + xi măng.

Nghiên cứu được tiến hành tiếp tục với việc phối trộn cát với một lượng cố định 3%XM và thay đổi hàm lượng tro bay (thay đổi đến 30%) để kiểm tra cường độ nén. Mẫu gia cố được bão dưỡng ẩm, ngâm bão hòa nước và sau đó nén ở tuổi 14 ngày và 28 ngày. Kết quả thí nghiệm cường độ nén được thể hiện tại Hình 3.5.

Hình 3.5: Cường độ nén 14 và 28 ngày tuổi với các tỷ lệ tro bay khác nhau + 3%XM

 

Nhận xét

- Với mẫu có cố định 3%XM, cường độ nén đạt lớn nhất ở tỉ lệ hàm lượng tro bay là 20%. Tỉ lệ này cũng là tỉ lệ cho khối lượng thể tích và CBR lớn nhất khi chỉ sử dụng tro bay để gia cố cát. So với mẫu chỉ có 3%XM, cường độ nén ở cả 14 ngày tuổi và 28 ngày tuổi của mẫu có 20% tro bay đều tăng hơn 5,7 lần, đạt đến 1.013MPa ở 14 ngày tuổi và 1.104MPa ở 28 ngày tuổi.

- Cường độ nén mẫu 3%XM + 20%TB đạt giá trị lớn nhất gấp >5 lần mẫu cát gia cố 3%XM không tro bay và lớn hơn giá trị tối thiểu 1MPa ở 28 ngày theo quy định tại [2] chứng tỏ tính hiệu quả khi sử dụng phối hợp tro bay và xi măng gia cố cát đen.

4. Kết luận

- Các kết quả trong chương trình thí nghiệm bước đầu khẳng định khả năng sử dụng tro bay chưa qua xử lý trong gia cố vật liệu làm móng mặt đường ô tô. Việc có ý nghĩa quan trọng do hạ giá thành sản phẩm cũng như tăng tốc độ thanh thải tro bay bảo vệ môi trường.

- Để mở rộng kết quả nghiên cứu ban đầu này theo định hướng ứng dụng, thử nghiệm tương tự với nguồn tro bay từ các nhà máy nhiệt điện khác, khảo sát sự phát triển cường độ và khả năng ổn định cường độ của hỗn hợp cát đen + tro bay + xi măng cần được tiếp tục thực hiện. Xây dựng và theo dõi đoạn thử nghiệm sẽ được đề xuất khi có kết quả nghiên cứu trong phòng khẳng định hiệu quả gia cố.

Tài liệu tham khảo

[1]. Bộ GTVT (2006), 22 TCN 211:06, Áo đường mềm - Các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế, Việt Nam.

[2]. Tiêu chuẩn Việt Nam (2014), TCVN 10186:2014 Móng cát gia cố xi măng trong kết cấu áo đường ô tô - Thi công và nghiệm thu.

[3]. ASTM C618-2003, Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Puzzolan for Use in Concrete, USA.

[4]. GS. TS. Dương Học Hải (2007), Giáo trình Xây dựng mặt đường ô tô, NXB. Giáo dục Việt Nam, Hà Nội.

[5]. Các tiêu chuẩn thí nghiệm hiện hành.