Nghiên cứu thực nghiệm về bê tông đầm lăn sử dụng hỗn hợp cát mịn tự nhiên và cát nghiền tại khu vực Đông Nam bộ

TS. Nguyễn Đức Trọng Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Nguyễn Quang Phúc TS. Nguyễn Thanh Sang

Tóm tắt: Hiệu quả kinh tế và rút ngắn thời gian thi công đã làm cho bê tông đầm lăn (BTĐL) nhanh chóng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng đường ô tô ở trên thế giới. Với việc dùng lượng nước ít (độ sụt bằng 0) và đầm chặt bằng lu nên cốt liệu nhỏ đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng lớn đến các tính chất của BTĐL. Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm các tính chất của BTĐL sử dụng hỗn hợp cát mịn tự nhiên và cát nghiền tại khu vực Đông Nam bộ. Những kết quả ban đầu chỉ ra rằng, khi sử dụng BTĐL đã tiết kiệm lượng xi măng, giảm đáng kể chi phí xây dựng công trình.

Từ khóa: Bê tông dầm lăn, cát mịn, Đông Nam bộ.

Abstract: Due to the economic efficiency and the saved construction time, the Roller-compacted concrete (RCC) has widely been used in the highways constructing in the world. Because of using little water (in the zero slump) and compacted with a vibrating roller, fine aggregates play an important role and have great influences on the properties of RCC. This paper instroduces some experimental results about properties of the Roller-compacted concrete using the mixture of the natural fine sand and manufactured sand in the Southeastern region of Vietnam. The initial results show that using the Roller-compacted Concrete will reduce cement and significant construction costs.

Keywords: Roller compacted concrete, sand smooth, Southeast.

1. Đặt vấn đề

Kết cấu công trình bằng BTĐL xét về phương diện vật liệu hay công nghệ thi công là một giải pháp vật liệu bền vững trong xây dựng vì một số lý do: Thời gian xây dựng được rút ngắn so với bê tông xi măng truyền thống; thi công trên diện rộng phù hợp với những kết cấu khối lớn sẽ thuận lợi hơn, dùng tỷ lệ nước/xi măng nhỏ nên giảm co ngót, tiết kiệm lượng xi măng và tận dụng nguồn vật liệu địa phương sẵn có nên giảm đáng kể chi phí xây dựng công trình. Trên thế giới đã nghiên cứu và ứng dụng BTĐL để làm đập bê tông trọng lực tại Canada, Mỹ, Anh, Nhật Bản, Trung Quốc [2]... Trong lĩnh vực GTVT thì BTĐL được sử dụng làm đường vào những năm 1930. Từ những năm 1980 cho đến nay, mặt đường BTĐL được dùng nhiều ở các nước trên thế giới.

Ở Việt Nam hiện nay, BTĐL chủ yếu sử dụng trong xây dựng đập trọng lực cho các thủy điện và bê tông khối lớn [1],[4], điển hình là thủy điện Sơn La sử dụng 3 triệu m³ bằng BTĐL. Tuy nhiên, việc nghiên cứu BTĐL trong xây dựng đường ô tô còn rất hạn chế, mới chỉ là bước đầu. Hiện tại chưa có đề tài nghiên cứu có quy mô lớn nào liên quan đến sử dụng hỗn hợp cát mịn tự nhiên và cát nghiền khu vực Đông Nam bộ sản xuất BTĐL trong xây dựng. Các kết quả nghiên cứu chỉ dừng lại là nghiên cứu một số tính chất của BTĐL sử dụng cát hạt thô hoặc cát mịn ở khu vực duyên hải miền Trung. Các kết quả ban đầu đưa ra khả năng và triển vọng trong việc sử dụng loại vật liệu này trong xây dựng kết cấu công trình.

Trong bài báo sẽ trình bày nghiên cứu về vật liệu để chế tạo, thiết kế thành phần, nghiên cứu thực nghiệm một số tính chất của BTĐL sử dụng hỗn hợp cát mịn tự nhiên và cát nghiền tại khu vực Đông Nam bộ trong xây dựng đường ô tô.

2. Vật liệu chế tạo BTĐL

2.1. Xi măng

Nghiên cứu này sử dụng loại xi măng Holcim PCB40 có cường độ chịu nén theo TCVN6016:1995 tuổi 28 ngày là 45MPa; khối lượng riêng của xi măng 3,10g/cm³; lượng nước tiêu chuẩn: 30,5%.

2.2. Tro bay

 Tro bay ngoài khả năng lấp đầy lỗ rỗng trong cấu trúc bê tông, nó còn tham gia phản ứng với Ca(OH)₂ để tạo ra C-S-H tăng pha đặc cho đá - xi măng [4]. Tro bay dùng trong nghiên cứu này được lấy từ nhà máy Formusa, Nhơn Trạch có thành phần hóa học và thành phần hạt được trình bày ở Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu lý, hóa của tro bay Formusa, Nhơn Trạch

 

Tro bay từ Nhà máy Formusa, Nhơn Trạch có các chỉ tiêu chất lượng phù hợp loại F trong quy định của ASTM C618.

2.3. Cốt liệu cho bê tông đầm lăn

Cốt liệu lớn là đá dăm có D_max= 20mm và đá 5x10 được lấy từ mỏ đá Hóa An có các chỉ tiêu đạt yêu cầu của TCVN 7570-2006, có độ hút nước là 0,4%, khối lượng thể tích xốp là 1,465g/cm³, khối lượng riêng là 2,79g/cm³, cường độ đá gốc là 139,7MPa, hàm lượng chung bụi, bùn, sét chiếm 0,6%.

Cốt liệu nhỏ: Phối trộn cát xay từ mỏ đá Hóa An có mô-đun độ lớn là 3,40 và cát tự nhiên hạt mịn Tân Châu có mô-đun độ lớn là 1,41.

2.4. Nước

Nước sử dụng cho bê tông là nước sạch, đạt Tiêu chuẩn TCXDVN 302 - 2004.

3. Thiết kế thành phần BTĐL

Hỗn hợp thành phần của cốt liệu cho BTĐL làm đường được thiết kế theo hướng dẫn ACI325.10 - BTĐL mặt đường [6] và theo đề tài nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xây dựng [2]; trình tự tính toán như sau:

- Xác định tính chất cơ lý vật liệu và cường độ bê tông yêu cầu.

- Xác định khối lượng của vật liệu thành phần theo lý thuyết thể tích đặc tuyệt đối trên cơ sở thành phần phối trộn các cốt liệu như Bảng 3.1.

- Tính toán khối lượng cho một mẻ trộn và tiến hành đúc mẫu, thử nghiệm.

Thành phần cốt liệu gồm đá 10x20 chiếm 22%, đá 5x10 chiếm 24%, cốt liệu nhỏ chiếm 54% (Hình 3.1). Lần lượt phối trộn 40, 50, 60, 70, 80% cát nghiền từ mỏ đá Hóa An có mô-đun độ lớn là 3,40 với 60, 50, 40, 30, 20% cát mịn Tân Châu có mô-đun độ lớn là 1,41. Thành phần vật liệu chế tạo và cấp phối cốt liệu BTĐL được trình bày trong Bảng 3.1 và Bảng 3.2.

Bảng 3.1. Thành phần cấp phối (CP) cốt liệu cho BTĐL

 

Hình 3.1: Cấp phối cốt liệu cho BTĐL làm đường ô tô

 

Ghi chú: CP60/40 là BTĐL sử dụng cốt liệu nhỏ gồm 60% cát nghiền (cát xay) và 40% cát tự nhiên hạt mịn.

Bảng 3.2. Thành phần vật liệu chế tạo BTĐL cường độ nén 30MPa

 

4. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Thiết kế BTĐL phù hợp cho thi công mặt đường bằng công nghệ đầm lăn nên lượng nước được điều chỉnh để độ cứng Vebe đạt từ 20-40s [2] với kết quả được trình bày ở mục 3. Sau đó mẫu được đúc theo ACI 211.3 để đảm bảo độ chặt yêu cầu.

Các tính chất của BTĐL được đề cập trong nghiên cứu này gồm: Cường độ chịu nén (Rn), cường độ ép chẻ (Rech) dùng mẫu lập phương, cường độ chịu uốn (Ru) và mô-đun đàn hồi khi nén tĩnh (E) dùng mẫu lăng trụ. Tổng cộng có tất cả 270 mẫu các loại được đúc, bảo dưỡng và thử nghiệm tại Phòng Thí nghiệm LAS - XD 154 để xác định tính chất của bê tông rắn chắc ở tuổi 7, 28 và 90 ngày. Kết quả xác định các tính chất của bê tông được trình bày trong Bảng 4.1.

Bảng 4.1. Các kết quả thực nghiệm của BTĐL

 

Hình 4.1, Hình 4.2: Mức tăng cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn của BTĐL theo thời gian

 

Hình 4.3, Hình 4.4: Mức tăng cường độ ép chẻ, mô-đun đàn hồi của BTĐL theo thời gian

 

Từ kết quả thực nghiệm cho thấy tính của bê tông rắn chắc sử dụng hỗn hợp cát ở tuổi 7 ngày có cường độ chịu nén đạt 67 ÷ 70%, cường độ kéo uốn nén đạt 68 ÷ 71%, cường độ ép chẻ đạt 62 ÷ 67% và mô-đun đàn hồi khi nén tĩnh đạt 89 ÷ 92% so với tuổi 28 ngày. Sau 28 ngày thì cường độ của bê tông tăng đáng kể; cụ thể tính chất của bê tông ở tuổi 90 ngày tăng so với tuổi 28 ngày là: Rn tăng 13 ÷ 19%, Ru tăng 26 ÷ 32%, Rech tăng 36 ÷ 42% và E tăng 16 ÷ 21%. Tỷ lệ Ru/Rn=0,144 ÷ 0,148. Ở 28 ngày, Rech đạt 3,3 ÷ 3,9MPa; Ru đạt 4,65 ÷ 5,30MPa, E đạt 33,2 ÷ 35,5GPa thỏa mãn yêu cầu theo quy định để làm lớp móng và mặt đường ô tô. Tuy nhiên, cần xem xét cụ thể về độ bằng phẳng khi thi công thực tế mới có thể áp dụng cho làm lớp mặt đường [4].

Các biểu đồ tương quan giữa các tính chất của BTĐL rắn chắc ở tuổi 28 ngày ứng với hàm lượng cát nghiền khác nhau trong thành phần cốt liệu nhỏ:

Hình 4.5a, Hình 4.5b: Mối quan hệ giữa Rn, Ru và các cấp phối BTĐL

 

Hình 4.6a, Hình 4.6b: Mối quan hệ giữa Rech, E và các cấp phối BTĐL

 

- Cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn và mô-đun đàn hồi của BTĐL ở tuổi 28 ngày đạt giá trị lớn nhất khi hàm lượng cát nghiền trong hỗn hợp cát chiếm 60%. Cường độ chịu kéo uốn của BTĐL ở tuổi 28 ngày khi dùng hàm lượng cát nghiền trong hỗn hợp cát chiếm 60% lớn hơn so với khi hàm lượng cát nghiền trong hỗn hợp cát chiếm 100%; 80%; 70%; 50%; 40% lần lượt là  8,1%; 4,3%; 0,9%; 8,6%; 13,9%.

- Cường độ ép chẻ ở tuổi 28 ngày đạt giá trị lớn nhất khi hàm lượng cát nghiền trong hỗn hợp cát chiếm 70%. Cường độ ép chẻ của BTĐL ở tuổi 28 ngày khi dùng hàm lượng cát nghiền trong hỗn hợp cát chiếm 70% lớn hơn so với khi hàm lượng cát nghiền trong hỗn hợp cát chiếm 100%; 80%; 60%; 50%; 40% lần lượt là  8,1%; 4,8%; 0,5%; 7,6%; 18%.

- Để bê tông xi măng truyền thống loại 30MPa có cường độ tương đương như BTĐL đã nghiên cứu thì lượng xi măng cần dùng cho 1m³ bê tông là 372kg [3]. Vì thế, khi sử dụng BTĐL dùng hỗn hợp cát với tỷ lệ hợp lý sẽ tiết kiệm được lượng xi măng.

5. Kết luận

- Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng cát nghiền và cát mịn tự nhiên để chế tạo BTĐL. Ở tuổi 28 ngày, tính chất của BTĐL sử dụng hỗn hợp cát như sau: Cường độ chịu uốn đạt 4,65 ÷ 5,30MPa, mô-đun đàn hồi đạt 33,2 ÷ 35,5 GPa đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật cho vật liệu dùng trong xây dựng đường ô tô. Với việc kết hợp hợp lý cát nghiền và cát mịn tự nhiên để chế tạo BTĐL đã giảm lượng dùng xi măng và hạ giá thành xây dựng công trình.

- Theo kết quả nghiên cứu thì khi hàm lượng cát nghiền trong hỗn hợp cát chiếm từ 60 ÷ 70% cho BTĐL có cường độ kéo uốn và cường độ ép chẻ là cao nhất. Kết quả thực nghiệm này phù hợp với kết quả phân tích lý thuyết là ứng với tỷ lệ phối trộn trên thì đường cong cấp phối của BTĐL gần với đường cong cấp phối tốt nhất.

Tài liệu tham khảo

[1]. Nguyễn Quang Hiệp (2005), Nghiên cứu bê tông đầm lăn cho đập và đường trong điều kiện Việt Nam, Luận văn Tiến sỹ kỹ thuật, Viện KHCNXD.

[2]. ThS. Nguyễn Hữu Duy và các cộng sự (2014), Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thi công kết cấu mặt đường bê tông đầm lăn cho hạ tầng giao thông, Đề tài nghiên cứu và ứng dụng công nghệ xây dựng, Tổng công ty VLXD Số 1 (Fico).

[3]. TS. Nguyễn Đức Trọng (2015), Hiệu quả sử dụng phụ gia siêu dẻo trong bê tông xi măng dùng hỗn hợp cát nghiền và cá mịn tự nhiên tại khu vực Đông Nam bộ , Tạp chí GTVT, số 6.

[4]. TS. Nguyễn Thanh Sang (2013), Nghiên cứu thực nghiệm về bê tông đầm lăn làm kết cấu mặt đường ô tô, Tạp chí GTVT, số 7, tr.11-13.

[5]. Naik, T. R., and B. W. Ramme (1997), Roller compacted no-fines concrete for roadbase course, Third CANMET/ACI International Symposium on Advances in Concrete Technology, Detroit, MI.

[6]. ACI 325.10R95 (2001), Report on Roller Compacted Concrete Pavement, Reapparoved 2001, pp.31-51.