Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp cát xay – cát tự nhiên khu vực Đông Nam Bộ làm mặt đường bê tông xi măng trong xây dựng đường ô tô

-1-





















B
Ộ GIÁO DỤC
VÀ
ĐÀO T
ẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI
**

NGUYỄN ĐỨC TRỌNG




NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỖN HP CÁT XAY– CÁT
TỰ NHIÊN KHU VỰC ĐÔNG NAM BỘ LÀM MẶT
ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG
ĐƯỜNG Ô TÔ



LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT











HÀ NỘI - 2013
-2-

B
Ộ GIÁO DỤC
VÀ
ĐÀO T
ẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI
**

NGUYỄN ĐỨC TRỌNG





NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỖN HP CÁT XAY–
CÁT TỰ NHIÊN KHU VỰC ĐÔNG NAM BỘ LÀM
MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG TRONG XÂY
DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT


Chun ngành : Xây dựng đường ơtơ và đường thành phố
Mã số : 62.58.30.01


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS TRẦN TUẤN HIỆP
PGS.TS LÃ VĂN CHĂM





HÀ NỘI - 2013

-3-

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan đã
tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải;
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải- Cơ Sở II; Trường Đại Học
Bách Khoa TP.HCM; Trường Đại Học Quốc Gia TP.HCM; Liên Hiệp
Khoa Học Địa Chất Nền Móng Vật Liệu Xây Dựng; Phòng Đào tạo
Đại học và Sau đại học; Khoa công trình; Bộ môn Đường bộ; Bộ môn
Vật liệu xây dựng.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến
các thầy hướng dẫn là PGS.TS Trần Tuấn Hiệp và PGS.TS Lã Văn
Chăm đã hết sức tận tình góp ý và định hướng khoa học có giá trị cho
nội dung nghiên cứu của luận án. Xin cảm ơn đến các thầy cô trong
Khoa Công trình, Bộ môn Đường Bộ, Bộ môn Vật Liệu Xây Dựng và
Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng Giao thông - Trường Đại Học
Giao Thông Vận Tải đã động viên, nhiệt tình giúp đỡ và cung cấp các
tài liệu quý báu để tác giả hoàn thành luận án này.

-4-

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Hà Nội, ngày …… tháng … năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các
số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án
Nguyễn Đức Trọng


-I-

MỤC LỤC
Danh mục hình ảnh, biểu đồ
Danh mục các bảng
Danh mục các chữ viết tắt

Trang
Mở đầu: 01
Lý do lựa chọn đề tài 05
Mục đích nghiên cứu 05
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 06
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 06

Cấu trúc của đề tài 06
Những đóng góp của đề tài trong lĩnh vực chuyên ngành 07
Chương 1: Tổng quan về bê tông xi măng và sử dụng cát xay–
cát tự nhiên sản xuất bê tông xi măng trong xây
dựng đường ô tô 09
1.1 Giới thiệu chung 09
1.2 Tổng quan các nghiên cứu sử dụng cát tự nhiên và cát xay
để sản xuất bê tông xi măng 12
1.2.1 Các nghiên cứu sử dụng cát tự nhiên để sản xuất bê tông
xi măng ở trên thế giới và tại Việt Nam 13
1.2.2 Các nghiên cứu và các công trình ứng dụng bê tông xi măng
dùng cát xay ở trên thế giới và tại Việt Nam 16
1.2.3 Hướng sử dụng hợp lý cát địa phương để sản xuất bê tông xi
măng dùng trong xây dựng đường ô tô ở khu vực Đông Nam
Bộ 21
1.2.4 Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của đề tài 23

1.3 Các yêu cầu của bê tông xi măng làm đường ô tô 23
1.4 Một số lý thuyết thành phần hạt của cốt liệu trong bê tông 25
-II-

1.5 Nguyên lý hình thành cường độ và các yếu tố ảnh hưởng tới
cường độ của bê tông xi măng 26
1.5.1 Sự hình thành cấu trúc của bê tông xi măng 27
1.5.2 Cấu trúc của bê tông xi măng 28
1.5.3 Các giai đoạn hình thành cấu trúc vi mô của hỗn hợp BTXM 34
1.5.4 Các hướng kỹ thuật làm tăng cường độ dính và cường độ vữa XM .35
1.6 Các phương pháp thiết kế thành phần BTXM sử dụng cát xay 35
1.6.1 Thiết kế thành phần BT theo phương pháp Bolomey-Skramtaev 35
1.6.2 Thiết kế thành phần bê tông theo TCXDVN 322:2004 36

1.6.3 Thiết kế thành phần bê tông theo quy hoạch thực nghiệm 36
1.7 Mục tiêu của đề tài 37
1.8 Nội dung nghiên cứu 37
1.9 Phương pháp nghiên cứu 38
Chương 2 : Thuộc tính của vật liệu dùng chế tạo bê tông xi
măng và cát xay khu vực Đông Nam Bộ 39
2.1 Đặt vấn đề 39
2.2 Thực trạng của nguồn cung ứng vật liệu chế tạo bê tông xi
măng khu vực Đông Nam Bộ 40
2.2.1 Thực trạng nguồn cung cấp xi măng 40
2.2.2 Thực trạng nguồn cung cấp đá dăm 43
2.2.3 Các nguồn vật liệu cát tự nhiên vùng Đông Nam Bộ 51
2.2.4 Nước 60
2.2.5 Phụ gia bê tông 61
2.3 Cát xay khu vực Đông Nam Bộ 62
2.3.1 Đặt vấn đề 62
2.3.2 Các chỉ tiêu cơ lý của cát xay tại các mỏ đặc trưng khu
vực Đông Nam Bộ 64
2.3.3 Thành phần hạt của cốt liệu nhỏ khi phối trộn cát xay và
cát tự nhiên với các tỷ lệ khác nhau 69
-III-

Kết luận chương 2 72
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm về bê tông xi măng sử
dụng hỗn hợp cát xay và cát tự nhiên 73
3.1 Đặt vấn đề 73
3.2 Cơ sở lý thuyết và tính toán thành phần chế tạo bê tông xi
măng sử dụng hỗn hợp cát xay và cát tự nhiên 74
3.2.1 Cơ sở lý thuyết 74
3.2.2 Tính toán thành phần chế tạo bê tông xi măng sử dụng cát xay và

cát tự nhiên 78
3.2.3 Thiết kế thành phần của bê tông xi măng sử dụng hỗn hợp cát xay
và cát tự nhiên 84
3.3 Thực nghiệm xác định một số tính chất của bê tông xi măng sử
dụng hỗn hợp cát xay và cát tự nhiên 90
3.3.1 Thành phần BTXM sử dụng hỗn hợp cát xay và cát tự nhiên 90
3.3.2 Công tác chuẩn bị và lập kế hoạch, triển khai thí nghiệm 90
3.3.3 Kết quả thí nghiệm xác định tính chất của bê tông tươi và sự phát
triển cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi của
bê tông xi măng 93
3.3.4 Xác định độ lệch chuẩn và hệ số phân tán của kết quả thí nghiệm
về cường độ của bê tông xi măng 97
3.3.5 Khả năng chống mài mòn cuả bê tông xi măng 98
3.3.6 Cấu trúc của bê tông xi măng 100
3.3.7 Thiết lập các mối quan hệ từ các tính chất cơ học cuả BTXM 101
Kết luận chương 3 103
Chương 4: Nghiên cứu sử dụng cát xay, hỗn hợp cát xay – cát tự
nhiên và phụ gia trong xây dựng mặt đường bê tông xi măng 105
4.1 Mở đầu 105
4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn trong cát xay đến tính chất của
bê tông xi măng 105
4.2.1 Đặt vấn đề 105
-IV-

4.2.2 Các nghiên cứu liên quan đến ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn
trong cát xay đến các tính chất của bê tông xi măng 106
4.2.3 Kết quả thí nghiệm và phân tích 107
4.2.4 Tìm tỷ lệ hạt mịn tối ưu trong cát xay để sản xuất BTXM 112
4.3 Nghiên cứu sử dụng phụ gia sản xuất BTXM dùng hỗn hợp cát xay
và cát tự nhiên trong xây dựng đường ô tô 114

4.3.1 Sự cần thiết sử dụng phụ gia sản xuất bê tông dùng hỗn hợp cát
trong xây dựng đường ô tô 114
4.3.2 Công tác chuẩn bị, lập kế hoạch và triển khai thí nghiệm 116
4.3.3 Kết quả thí nghiệm và đánh giá 118
4.4 Nghiên ứng dụng bê tông xi măng sử dụng hỗn hợp cát xay và cát
tự nhiên trong xây dựng kết cấu áo đường ô tô 122
4.4.1 Mở đầu 122
4.4.2 Mặt đường cứng và các tính năng cơ học của vật liệu xây dựng
mặt đường cứng 123
4.4.3 Đề xuất các kết cấu áo đường bê tông xi măng sử dụng hỗn hợp
cát xay và cát tự nhiên 130
4.5 Phân tích hiệu quả kinh tế 132
Kết luận chương 4 135
Kết luận, kiến nghị và dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo 137
A. Kết luận 137
B. Kiến nghị và dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo 140
Các công trình đã công bố của tác giả
Tài liệu tham khảo
Phần phụ lục



-V-

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
Hình 1.1: Cát xay (cát nhân tạo) và cát tự nhiên 16
Hình 1.2: Máy nghiền cát từ đá nội địa đang vận hành tại Công ty Cổ
phần Đá Phước Hòa, Bà Rịa – Vũng Tàu 17
Hình 1.3: Đập thủy điện Tam Hiệp (Trung Quốc) lớn nhất thế giới 18
Hình 1.4: Thủy điện Sơn La 18

Hình 1.5: Hầm Thủ Thiêm (TP.HCM) 18
Hình 2.1: Biểu đồ nhiễu xạ Rơn ghen của các mẫu đá nghiên cứu 46
Hình 2.2: Khối lượng cát được khai thác và đã khai thác tại mỏ cát Tân
Uyên, mặt cắt MC.03 57
Hình 2.3: Khối lượng cát được khai thác và đã khai thác tại mỏ cát cù
lao Bình Chánh, mặt cắt MC.45 57
Hình 2.4: Khối lượng cát được khai thác và đã khai thác tại mỏ cát cù
lao Rùa, mặt cắt MC.93 58
Hình 2.5: Khối lượng cát được khai thác và đã khai thác tại mỏ cát Hóa
An, mặt cắt MC.127 58
Hình 2.6: Bề mặt của cát xay Hóa An với độ phóng đại 500 lần 63
Hình 2.7: Bề mặt của cát tự nhiên Đồng Nai với độ phóng đại 500 lần 63
Hình 2.8: Biểu đồ phân tích thành phần hạt cát xay từ mỏ đá Hóa An 65
Hình 2.9: Biểu đồ phân tích thành phần hạt cát xay từ mỏ đá Tân Thành 66
Hình 2.10: Biểu đồ phân tích thành phần hạt cát xay từ mỏ đá Châu Pha 67
Hình 2.11: Biểu đồ nhiễu xạ Rơn ghen của mẫu cát xay Phước Tân 67
Hình 2.12: Biểu đồ phân tích thành phần hạt cát xay từ mỏ đá Phước
Tân 68
Hình 2.13: Biểu đồ phân tích thành phần hạt hỗn hợp khi phối trộn cát
xay và cát mịn tự nhiên theo các tỷ lệ khác nhau 70
-VI-

Hình 3.1: Biểu đồ biểu diễn thành phần hạt cốt liệu của các cấp phối bê
tông xi măng 83
Hình 3.2: Chế tạo và bảo dưỡng mẫu bê tông xi măng 86
Hình 3.3 : Thí nghiệm cường độ chịu kéo uốn của bê tông 91
Hình 3.4: Thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông 91
Hình 3.5: Thí nghiệm mô đun đàn hồi khi nén tĩnh 92
Hình 3.6 : Thí nghiệm độ co mềm - co ngót của bê tông 92
Hình 3.7: Thí nghiệm độ mài mòn của bê tông 92

Hình 3.8: Biểu đồ biểu diễn sự phát triển Rn của BTXM theo thời gian 95
Hình 3.9: Biểu đồ biểu diễn sự phát triển Ru của BTXM theo thời gian 95
Hình 3.10: Biểu đồ biểu diễn mô đun đàn hồi của BTXM ở tuổi 28 và 56
ngày 96
Hình 3.11: Biểu đồ biểu diễn độ mài mòn của bê tông xi măng 99
Hình 3.12: Bề mặt của cát tự nhiên và cát xay trước khi chế tạo bê tông. 100
Hình 3.13: Cấu trúc của bê tông xi măng cường độ 36MPa sử dụng cát
tự nhiên và hỗn hợp cát (x1300) tuổi 28 ngày 100
Hình 4.1 : Biểu đồ biểu diễn độ co mềm của BTXM 30MPa khi dùng cát
xay với các tỷ lệ hạt mịn khác nhau theo thời gian 110
Hình 4.2: Biểu đồ biểu diễn cường độ chịu nén của bê tông xi măng
30MPa khi dùng cát xay với các tỷ lệ hạt mịn khác nhau ở
tuổi 7 và 28 ngày 110
Hình 4.3: Biểu đồ biểu diễn cường độ chịu kéo uốn của BTXM 30MPa
khi dùng CX với các tỷ lệ hạt mịn khác nhau ở tuổi 7,28 ngày 111
Hình 4.4: Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa cường độ chịu nén của bê tông
xi măng với các hàm lượng hạt mịn có trong cát xay 112
Hình 4.5: Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa cường độ kéo uốn của bê tông
xi măng với các hàm lượng hạt mịn có trong cát xay 112
-VII-

Hình 4.6: Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa mô đun đàn hồi của bê tông xi
măng với các hàm lượng hạt mịn có trong cát xay 113
Hình 4.7: Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa độ mài mòn của bê tông xi
măng với các hàm lượng hạt mịn có trong cát xay 113
Hình 4.8: Thí nghiệm độ sụt của bê tông xi măng có sử dụng phụ gia
Sika-R4 118
Hình 4.9 : Mẫu bê tông xi măng sau khi thí nghiệm 118
Hình 4.10: Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa cường độ kéo uốn của bê
tông xi măng khi dùng hỗn hợp cát có sử dụng phụ gia Sika-

R4 với tỷ lệ N/XM 120
Hình 4.11: Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa mô đun đàn hồi khi nén tĩnh
của bê tông xi măng khi dùng hỗn hợp cát có sử dụng phụ
gia Sika-R4 với tỷ lệ N/XM 120
Hình 4.12: Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa cường độ kéo uốn của bê
tông xi măng khi dùng hỗn hợp cát có sử dụng phụ gia Sika-
R4 và lượng xi măng 121
Hình 4.13: Biểu đồ biểu diễn quan hệ giữa mô đun đàn hồi khi nén tĩnh
của bê tông xi măng khi dùng hỗn hợp cát có sử dụng phụ
gia Sika-R4 và lượng xi măng 121
Hình 4.14: Kiến nghị các dạng kết cấu áo đường bằng bê tông xi măng
sử dụng hỗn hợp cát 132






-VIII-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Trị số tính toán của các loại BTXM trong xây dựng đường ôtô. 24
Bảng 1.2: Các chỉ tiêu cơ lý và độ sụt của BTXM mặt đường ô tô 24
Bảng 2.1: Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng Holcim- PCB40 42
Bảng 2.2: Tính chất cơ lý mỏ đá Hóa An 44
Bảng 2.3: Kết quả phân tích tính chất vật lý,hóa học và cơ học đá
10x20,Hóa An 44
Bảng 2.4: Kết quả phân tích bằng sàng đá dăm 10x20mm 45
Bảng 2.5: Bảng tổng hợp trữ lượng và thời gian khai thác của mỏ đá Hóa
An 45

Bảng 2.6: Kết quả phân tích thành phần hóa (%) của đá ở mỏ Hóa An 46
Bảng 2.7: Tính chất cơ lý mỏ đá Suối Mơ 47
Bảng 2.8: Tính chất cơ lý mỏ đá Tân Hạnh 47
Bảng 2.9 : Kết quả các chỉ tiêu thí nghiệm đá 10x20mm (Thường Tân) 48
Bảng 2.10: Kết quả phân tích thành phần hóa (%) của đá ở mỏ Thường
Tân 48
Bảng 2.11: Số liệu thí nghiệm biến thiên cường độ chịu nén của đá ở mỏ
Thường Tân khi bão hòa nước (mẫu đá có màu xám đen) 49
Bảng 2.12: Số liệu thí nghiệm biến thiên cường độ chịu nén của đá ở mỏ
Thường Tân (mẫu đá có màu xám xanh) 49
Bảng 2.13: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý đá 10x20 (Phước Tân) 50
Bảng 2.14: Thống kê các nguồn cát chính 52
Bảng 2.15: Kết quả một số chỉ tiêu chính của cát 52
Bảng 2.16: Kết quả thí nghiệm cát Tân Châu 53
Bảng 2.17: Kết quả phân tích bằng sàng cát Tân Châu 53
Bảng 2.18: Phân tích vật lý, hóa học cát Đồng Nai 53
-IX-

Bảng 2.19: Kết quả phân tích bằng sàng cát Đồng Nai 54
Bảng 2.20: Kết quả thí nghiệm cát Omaxano–Campuchia 54
Bảng 2.21: Kết quả phân tích bằng sàng cát Omaxano 55
Bảng 2.22: Số liệu điều tra của N.E.S 56
Bảng 2.23: So sánh khối lượng trữ lượng cát tự nhiên được khai thác và
khối lượng cát đã khai thác tại một số khu vực ở Miền Đông
Nam Bộ 59
Bảng 2.24: Lựa chọn tỷ lệ N/XM theo loại bê tông 61
Bảng 2.25: Phân tích các tính chất cơ lý của cát xay từ mỏ đá Hóa An 64
Bảng 2.26: Kết quả phân tích thành phần hạt cát xay từ mỏ đá Hóa An 65
Bảng 2.27: Phân tích các tính chất cơ lý của cát xay từ mỏ đá Tân Thành. 65
Bảng 2.28: Kết quả phân tích thành phần hạt cát xay từ mỏ đá Tân

Thành 66
Bảng 2.29: Phân tích các tính chất cơ lý của cát xay từ mỏ đá Châu Pha 66
Bảng 2.30: Kết quả phân tích thành phần hạt cát xay từ mỏ đá Châu Pha 67
Bảng 2.31: Phân tích các tính chất cơ lý của cát xay từ đá Phước Tân 68
Bảng 2.32: Kết quả phân tích thành phần hạt cát xay từ đá Phước Tân 68
Bảng 2.33: Một số tiêu chuẩn về cốt liệu nhỏ 69
Bảng 2.34: Kết quả phân tích thành phần hạt và mô đun độ lớn của hỗn
hợp cát khi phối trộn cát xay và cát mịn theo các tỷ lệ khác
nhau 69
Bảng 3.1 : Thành phần cốt liệu thô và cốt liệu nhỏ của các cấp phối bê
tông 82
Bảng 3.2: Bảng phân tích thành phần hạt cốt liệu của các cấp phối
BTXM 83
Bảng 3.3 : Phạm vi thay đổi của các biến của phương trình hồi quy 85
-X-

Bảng 3.4: Thành phần BTXM thiết kế theo quy hoạch thực nghiệm 87
Bảng 3.5: Các kết quả thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm 88
Bảng 3.6: Thành phần cấp phối BTXM cường độ 20, 30, 33, 36MPa 90
Bảng 3.7: Kế hoạch đúc mẫu thực nghiệm BTXM dùng hỗn hợp cát và
cát tự nhiên 93
Bảng 3.8: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén (Rn), cường độ kéo
uốn (Ru) của bê tông xi măng 94
Bảng 3.9: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn, mô
đun đàn hồi (MPa) và độ sụt của bê tông xi măng (cm) 94
Bảng 3.10: So sánh cường độ chịu nén và kéo uốn của bê tông tuổi 3, 7
và 56 ngày so với tuổi 28 ngày 94
Bảng 3.11: Kết quả xác định độ lệch chuẩn và hệ số phân tán kết quả thí
nghiệm cường độ của bê tông 98
Bảng 3.12: Kết quả thí nghiệm độ mài mòn của BTXM 99

Bảng 3.13: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn và
mô đun đàn hồi của bê tông sử dụng hỗn hợp cát 101
Bảng 3.14: Các mối quan hệ giữa cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi với
cường độ chịu nén 102
Bảng 4.1: Kế hoạch đúc mẫu xác định ảnh hưởng của hàm lượng hạt
mịn trong cát xay (hợp chuẩn) tới tính chất của bê tông xi
măng 107
Bảng 4.2: Kết quả thí nghiệm độ mài mòn của bê tông cường độ 30MPa
khi dùng cát xay với các tỷ lệ hạt mịn khác nhau 108
Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm độ co ngót của BT 30MPa khi dùng cát
xay với các tỷ lệ hạt mịn khác nhau theo thời gian 109
-XI-

Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm độ sụt, cường độ chịu nén, kéo uốn và mô
đun đàn hồi cuả BTXM cường độ 30MPa khi dùng cát xay
với các tỷ lệ hạt mịn khác nhau 109
Bảng 4.5: Phụ gia hóa học dùng cho sản xuất bê tông 115
Bảng 4.6: Thành phần cấp phối bê tông xi măng dùng hỗn hợp cát xay
và cát tự nhiên có sử dụng phụ gia siêu hóa dẻo Sika - R4 117
Bảng 4.7: Kết quả thí nghiệm Rn, Ru và E cuả BTXM dùng hỗn hợp
cát xay và cát tự nhiên có sử phụ gia Sika-R4 119
Bảng 4.8: Kết quả tính toán tấm BTXM có móng bằng vật liệu hạt 131
Bảng 4.9: Kết quả tính toán tấm BTXM có móng bằng vật liệu gia cố 131
Bảng 4.10: Chi phí vật tư (chưa bao gồm VAT) của BTXM cường độ
36MPa dùng hỗn hợp cát (không có phụ gia R4) 133
Bảng 4.11: Chi phí vật tư (chưa bao gồm VAT) của BTXM cường độ
36MPa dùng hỗn hợp cát và phụ gia R4 134
Bảng 4.12: Chi phí vật tư (chưa bao gồm VAT) của BTXM cường độ
36MPa dùng cát tự nhiên hạt to 134
Bảng 4.13: Chi phí vật tư (chưa bao gồm VAT) của BTXM cường độ

36MPa khi sử dụng hỗn hợp cát có hoặc không có phụ gia rẻ
hơn so với sử dụng cát tự nhiên hạt to 135








-XII-

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AASHTO

:

Hiệp hội những người làm đường và vận tải toàn nước Mỹ
ACI :

Viện bê tông Mỹ
ASTM :

Hiệp hội về thí nghiệm và vật liệu Mỹ
BT :

Bê tông
BTXM :

Bê tông xi măng

CM :

Cát mịn
CX :

Cát xay
CX/CM :

Cát xay/cát mịn
Đ :

Đá
ĐN :

Đồng Nai
ĐNB :

Đông Nam Bộ
E :

Mô đun đàn hồi khi nén tĩnh – gọi tắt là môđun đàn hồi
Mdl :

Mô đun độ lớn của cát
N :

Nước
N/XM :

Nước/Xi măng

NB :

Nam Bộ
PC :

Xi măng pooc lăng
PCB :

Xi măng pooc lăng hỗn hợp
R4 :

Phụ gia hóa học Sika-R4
Rn :

Cường độ chịu nén
Ru :

Cường độ kéo uốn
Sn :

Độ sụt
TCN :

Tiêu chuẩn nghành
TCVN :

Tiêu chuẩn Việt Nam
TCXDVN

:

Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam
TP.HCM :

Thành phố Hồ Chí Minh
VAT :

Thuế giá trị gia tăng
-1-

MỞ ĐẦU
Từ cuối thế kỷ thứ XIX nền kinh tế tư bản chủ nghĩa có những bước tiến
nhảy vọt, việc xây dựng nhà máy, đường xá, cầu cống ngày càng nhiều nên
cần phải có loại vật liệu xây dựng mới bền - ổn định, cùng với sự xuất hiện
của chất kết dính vô cơ là xi măng poóc lăng đã cho ra đời loại vật liệu xây
dựng có những tính chất nổi bật và ngày càng được sử dụng rộng rãi để xây
dựng cơ sở hạ tầng cho xã hội, đó là bê tông xi măng. Cấu kiện làm từ bê tông
xi măng có thể được đúc thành bất kỳ hình dạng nào, khả năng chịu nén tốt,
vật liệu chế tạo bê tông chủ yếu có ở địa phương nên giá thành rẻ, chúng được
sử dụng khá phổ biến để xây dựng kết cấu mặt đường ôtô vì có những ưu
điểm: Cường độ chịu nén cao, tuổi thọ dài, biến dạng nhỏ, ít thay đổi tính chất
khi chịu tác động của nhiệt độ và nước, ít bị hao mòn, có màu sáng nên tăng
sự an toàn chạy xe ban đêm, công tác duy tu bảo dưỡng ít, dễ cơ giới hóa
trong thi công… Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp
sản xuất xi măng nên thúc đẩy sử dụng mặt đường bê tông xi măng ngày càng
nhiều hơn.
Việt Nam là một quốc gia đang trong giai đoạn phát triển, xây dựng đất
nước theo hướng công nghiệp hoá - hiện đại hoá, xây dựng đời sống xã hội
phát triển nhằm theo kịp các nước tiên tiến trong khu vực và trên thế giới.
Nhiệm vụ đặt ra lúc này là phải xây dựng hệ thống kết cấu hạ tầng kinh tế - xã

hội hoàn chỉnh, đồng bộ. Trong đó hạ tầng giao thông đường bộ là bộ phận
quan trọng trong kết cấu hạ tầng xã hội nói chung và kết cấu hạ tầng giao
thông nói riêng cần được phát triển, ưu tiên đi trước một bước so với các
ngành khác. Để tạo tiền đề, làm động lực phát triển kinh tế xã hội, phục vụ sự
nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa của đất nước, đáp ứng quá trình hội
nhập khu vực và quốc tế, góp phần đảm bảo an ninh, quốc phòng của đất
nước. Trong kết cấu hạ tầng giao thông nói chung thì bê tông xi măng chiếm
-2-

một khối lượng lớn hơn cả, được dùng phổ biến để xây dựng các công trình
cơ sở hạ tầng cho xã hội trong đó có các công trình Giao thông Vận tải.
Biến đổi khí hậu trong đó có nước biển dâng đã được khẳng định là nguy
cơ thách thức lớn nhất mà con người phải đối diện trong thế kỷ này. Những
tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu là không thể đảo ngược và chúng ta cần
đưa ra các giải pháp ứng phó thích hợp. Khu vực Đông Nam Bộ có điều kiện
khí hậu, thời tiết nhiệt đới nóng ẩm rất đặc trưng, địa hình bằng phẳng tương
đối thấp nên thường xuyên bị ngập nước, chịu ảnh hưởng tiêu cực của nước
thủy triều nên việc sử dụng bê tông xi măng để xây dựng đường ô tô như là
một lựa chọn tối ưu.
Bê tông xi măng là một loại đá nhân tạo mà thành phần của nó bao gồm:
Xi măng, cốt liệu hạt thô, cốt liệu nhỏ, nước và có thể có thêm phụ gia, chất
bổ trợ khác. Cốt liệu là thành phần được sử dụng trong bê tông có thể có tác
động đáng kể trên các thuộc tính về trạng thái cứng và dẻo của bê tông [70].
Cốt liệu có thể chiếm đến 70  80 % thể tích của hỗn hợp bê tông và nó ảnh
hưởng nhiều đến các tính chất của bê tông.
Xây dựng cơ sở hạ tầng nói chung và xây dựng đường ô tô nói riêng cần
khối lượng lớn vật liệu xây dựng. Một trong những nguyên tắc cơ bản trong
thiết kế, xây dựng đường ô tô là tận dụng vật liệu địa phương nhằm giảm chi
phí xây dựng công trình. Khi chế tạo bê tông xi măng, ngoài chất liên kết là xi
măng, phụ gia để nâng cao cường độ và chất lượng cho bê tông thì những vật

liệu thô như đá các loại, cốt liệu nhỏ là cát tự nhiên hạt to đã là những vật liệu
quen dùng và được sử dụng rộng rãi. Cát tự nhiên có nguồn gốc từ các lòng
suối, lớp trầm tích phù sa, trầm tích biển. Hiện nay, cát tự nhiên thích hợp cho
sản xuất bê tông ngày càng trở nên khan hiếm: Theo Hội Vật liệu Xây dựng
Việt Nam thì năm 2011 nhu cầu cát xây dựng khoảng 100 triệu m
3
/năm và
đến năm 2015 sẽ là khoảng 136 triệu m
3
/năm. Để thỏa mãn yêu cầu quy trình
hiện hành và thói quen truyền thống người ta thường dùng cát tự nhiên hạt to
-3-

đạt các yêu cầu qui định để chế tạo bê tông xi măng. Với nhu cầu xây dựng
đường quốc lộ, cao tốc, đường giao thông nông thôn bằng bê tông xi măng
ngày một phổ biến và đòi hỏi yêu cầu về chất lượng mặt đường ngày càng cao
trong khi tại một số địa phương, một số vùng lãnh thổ của nước ta nguồn cung
cấp cát tự nhiên tốt ngày càng cạn kiệt hoặc giá thành vận chuyển đến chân
công trình cao và trong tương lai gần thì nguồn cát này sẽ không còn. Việc
khai thác cát tự nhiên hạt to quá mức, bừa bãi làm ảnh hưởng nghiêm trọng
đến môi trường sinh thái, gây sạt lở bờ sông, ảnh hưởng đến các khu vực dân
cư và các công trình dọc sông. Tại khu vực phía Nam vấn đề càng trở nên
trầm trọng hơn, nguyên nhân chủ yếu do các tỉnh siết chặt việc khai thác cát
trên sông Hậu, nguồn cát hạt to, hạt trung trên sông Đồng Nai và các vùng
phụ cận đã suy giảm. Mặt khác quá trình khai thác đã ảnh hưởng xấu đến môi
trường nên đã bị buộc phải hạn chế hoặc ngừng khai thác, phía Campuchia thì
dừng xuất khẩu cát, còn các nguồn cát khác cung ứng cho khu vực có khối
lượng nhỏ không đáng kể hoặc chất lượng không đảm bảo để sản xuất bê tông
xi măng.
Đã có các công trình nghiên cứu, ứng dụng bê tông xi măng sử dụng cát

mịn, cát biển, cát nhân tạo thay cát tự nhiên hạt to trên thế giới đã giải quyết
được nhiều vấn đề kỹ thuật và đạt được nhiều thành tựu đáng kể. Tại Việt
Nam các kết quả nghiên cứu chủ yếu đề cập đến cát mịn, cát biển thay thế cát
tự nhiên hạt to nhưng ứng dụng các kết quả nghiên cứu này vào xây dựng mặt
đường ô tô còn những hạn chế nhất định. Việc sử dụng cát nhân tạo (cát xay)
trong bê tông thì phần lớn chỉ được nghiên cứu và ứng dụng ở nước ngoài:
Các nhà nghiên cứu tại Viện bê tông Thụy Điển (CBI) và Viện Nghiên cứu
Kỹ thuật Thụy Điển (SP) [47] đã tham gia nghiên cứu, ứng dụng liên quan
đến cát xay dùng trong bê tông, công việc này đã được thực hiện trong các
chương trình hợp tác như chương trình MinBas I (2003  2005), chương trình
MinBas II (2010) và chương trình STEM của cơ quan Năng lượng Thụy Điển.
Ở Việt Nam nói chung và khu vực Nam Bộ nói riêng thì ngành công nghiệp
-4-

này khá mới mẻ. Một vài công trình xây dựng trong khu vực sử dụng cát xay
từ đá nhưng chưa hiệu quả, lựa chọn thành phần cấp phối bê tông chưa phù
hợp nên chất lượng bê tông không như mong muốn nên cho tới nay cát xay
vẫn chưa được sử dụng đại trà trong xây dựng đường ô tô. Với một vùng lãnh
thổ có điều kiện thời tiết, khí hậu, đặc biệt là nguồn vật liệu, mục đích sử
dụng và trình độ kỹ thuật hoàn toàn khác thì cần phải có công trình nghiên
cứu chuyên sâu và chi tiết.
Hiện nay, chúng ta đã có tiêu chuẩn hướng dẫn sử dụng cát nhân tạo
dùng trong bê tông và vữa nhưng các yêu cầu kỹ thuật của cát nhân tạo trong
tiêu chuẩn này xuất phát từ nghiên cứu phục vụ cho xây dựng thủy điện Sơn
La, còn cát xay sử dụng chế tạo bê tông dùng trong xây dựng đường ô tô thì
chưa có một nghiên cứu cụ thể nào. Với khu vực Đông Nam Bộ có nguồn
cung cấp cát xay khá dồi dào nhưng phần lớn có thành phần hạt lại chưa hợp
chuẩn, giá thành cát xay hợp chuẩn là khá đắt. Không những thế việc sử dụng
hoàn toàn cát xay có khả năng làm giảm độ sụt và tính hoàn thiện bề mặt của
bê tông kém. Với những lý do trên thì việc sử dụng hoàn toàn là cát xay hoặc

cát tự nhiên hạt mịn sản xuất bê tông xi măng làm đường ô tô còn tồn tại
những hạn chế nhất định. Vì thế đề tài : “Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp cát
xay - cát tự nhiên khu vực Đông Nam Bộ làm mặt đường bê tông xi măng
trong xây dựng đường ô tô” là hết sức cần thiết. Nội dung chính đề cập
trong luận án là sử dụng hiệu quả loại cát xay có thành phần hạt chưa hợp
chuẩn chiếm khối lượng lớn ở khu vực Đông Nam Bộ bằng cách phối trộn với
cát mịn tự nhiên có trữ lượng lớn dồi dào theo tỷ lệ hợp lý dùng làm cốt liệu
nhỏ thay thế cát tự nhiên hạt to để chế tạo bê tông xi măng trong xây dựng
đường ô tô.
Do tính ứng dụng rộng rãi của bê tông xi măng trong các lĩnh vực khác
nhau cũng như trong xây dựng đường ô tô ở khu vực Đông Nam Bộ. Trong
khi nguồn cát tự nhiên có chất lượng tốt để sản xuất bê tông xi măng ngày
-5-

càng khan hiếm và giá cả tăng cao là một câu hỏi lớn mà ngành công nghiệp
xây dựng trong khu vực phải suy nghĩ. Tìm kiếm giải pháp thay thế hữu hiệu
cát tự nhiên là một điều cần thiết. Cát xay là sản phẩm công nghiệp được thực
hiện bằng cách xay nghiền đá gốc thành các hạt có kích cỡ từ 140 µm đến
5mm – có thể gọi là cát công nghiệp, cát xay, cát nghiền, cát gia công hay cát
nhân tạo có thành phần hạt và các chỉ tiêu kỹ thuật được kiểm soát thỏa mãn
các yêu cầu kỹ thuật quy định.
 Lý do lựa chọn đề tài
:
Trong chương trình “Xây dựng nông thôn mới thời kỳ 2010  2020 của
Chính phủ”, cần tăng cường sử dụng mặt đường bê tông xi măng cho hệ
thống đường bộ nói chung và đường giao thông nông thôn nói riêng với khối
lượng rất lớn. Vật liệu xi măng hiện nay dư thừa song vật liệu cát ngày càng
khan hiếm, đặc biệt ở các tỉnh khu vực Đông Nam Bộ nên đẩy giá thành lên
cao. Đề tài nghiên cứu này xuất phát từ thực tế là phải tìm nguồn vật liệu thay
thế cát tự nhiên hạt to (cát vàng), nguồn thay thế đó chính là cát xay. Tuy

nhiên, chất lượng cát xay phụ thuộc rất nhiều các yếu tố khác nhau và không
phải khi nào cũng có thành phần hạt phù hợp yêu cầu kỹ thuật đặt ra để chế
tạo bê tông xi măng làm mặt đường ô tô. Nếu có thì giá thành cũng rất đắt. Vì
thế nội dung nghiên cứu đặt ra trong đề tài tìm nguồn vật liệu thay thế cát
vàng bằng cách phối trộn giữa cát xay chưa hợp chuẩn và cát mịn tự nhiên để
có được loại vật liệu hợp chuẩn đáp ứng được yêu cầu của bê tông xi măng
làm mặt đường ô tô là cần thiết. Việc nghiên cứu bê tông xi măng sử dụng
hỗn hợp cát xay chưa hợp chuẩn và cát mịn tự nhiên để thay thế cát vàng
dùng chế tạo bê tông xi măng hầu như chưa được nghiên cứu ở trong nước
hoặc có nhưng còn sơ khai và chưa được ứng dụng vào thực tế.
 Mục đích nghiên cứu
: Thông qua phân tích những tính chất cơ lý của
cát xay chưa hợp chuẩn ở khu vực Đông Nam Bộ, những hạn chế, khó khăn
khi sử dụng các nguồn cát khác để tìm ra giải pháp; Đó là sử dụng hỗn hợp
-6-

cát xay chưa hợp chuẩn và cát mịn tự nhiên tại khu vực Đông Nam Bộ thay
thế cát tự nhiên hạt to chế tạo bê tông xi măng, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật
cần thiết để xây dựng mặt đường BTXM trong xây dựng đường ô tô.
 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu :
- Đối tượng nghiên cứu là bê tông xi măng sử dụng hỗn hợp cát xay
chưa hợp chuẩn và cát mịn tự nhiên ở Đông Nam Bộ để thay thế cát tự nhiên
hạt to chế tạo BTXM dùng làm mặt đường ô tô.
- Phạm vi nghiên cứu là đề xuất thành phần cấp phối cốt liệu bê tông xi
măng sử dụng hỗn hợp cát xay chưa hợp chuẩn – cát mịn tự nhiên phổ biến
trong khu vực Đông Nam Bộ. Nghiên cứu một số tính chất cơ lý chủ yếu của
bê tông xi măng, kiến nghị giải pháp sử dụng hiệu quả, đề xuất khả năng
ứng dụng bê tông xi măng sử dụng hỗn hợp cát xay - cát mịn tự nhiên trong
xây dựng kết cấu mặt đường ô tô ở khu vực Đông Nam Bộ.
 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

:
- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu cơ sở phối trộn giữa cát xay và cát tự
nhiên hạt mịn sẵn có, tìm ra cấp phối phù hợp, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của
bê tông xi măng mặt đường nói riêng và bê tông xi măng nói chung.
- Ý nghĩa thực tiễn: Tránh việc đòi hỏi bắt buộc phải sử dụng cát xay
hợp chuẩn với giá thành cao, khắc phục nhược điểm thành phần hạt không
hợp chuẩn của cát xay, sử dụng một phần nguồn cát tự nhiên hạt mịn sẵn có
tại khu vực Đông Nam Bộ nhưng có thành phần hạt không phù hợp để chế
tạo bê tông xi măng trong xây dựng mặt đường ô tô.
 Cấu trúc của luận án
:
Gồm phần mở đầu, tiếp theo là bốn chương, phần kết luận, kiến nghị,
dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục.
Cụ thể như sau :
+) Phần mở đầu
-7-

+) Chương 1: Tổng quan về về tông xi măng và sử dụng cát xay – cát tự
nhiên sản xuất bê tông xi măng trong xây dựng đường ô tô.
+) Chương 2: Thuộc tính của vật liệu dùng chế tạo bê tông xi măng và
cát xay khu vực Đông Nam Bộ.
+) Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm về bê tông xi măng sử dụng hỗn
hợp cát xay và cát tự nhiên.
+) Chương 4: Nghiên cứu sử dụng cát xay, hỗn hợp cát xay - cát tự nhiên
và phụ gia trong xây dựng mặt đường bê tông xi măng.
+) Phần kết luận, kiến nghị và dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo.
+) Danh mục các công trình nghiên cứu đã công bố của tác giả
+) Tài liệu tham khảo và phần phụ lục.
 Những đóng góp của đề tài trong lĩnh vực chuyên ngành
:

Các kết quả nghiên cứu về thành phần, tính chất của bê tông xi măng sử
dụng hỗn hợp cát xay chưa hợp chuẩn ở Đông Nam Bộ và cát mịn tự nhiên đã
chứng minh tính khả thi của bê tông dùng loại vật liệu này trong xây dựng kết
cấu mặt đường ôtô.
1. Luận án đã tổng hợp, phân tích được các kết quả nghiên cứu, ứng dụng
về bê tông xi măng sử dụng cát địa phương ở trên thế giới và ở Việt Nam. Từ
những phân tích này đưa ra được khả năng kết hợp các nguồn cát địa phương
tại khu vực Đông Nam Bộ, đó là kết hợp cát xay chưa hợp chuẩn và cát mịn
tự nhiên để chế tạo bê tông trong ngành xây dựng nói chung và công trình
đường ô tô nói riêng.
2. Các nghiên cứu về nguồn gốc các mỏ đá tại khu vực Đông Nam Bộ đã
khẳng định loại vật liệu này phần lớn là phù hợp với tiêu chuẩn hiện hành và
có thể xay thành cát để sản xuất bê tông xi măng.
-8-

3. Các thử nghiệm về công thức bê tông và các tính năng của bê tông sử
dụng hỗn hợp cát xay - cát mịn tự nhiên đều phù hợp với các tiêu chuẩn quốc
tế và tiêu chuẩn Việt Nam trong xây dựng đường ô tô.
4. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, thiết kế thành phần cấp
phối BTXM sử dụng hỗn hợp cát, chọn ra được thành phần phối trộn tối ưu
trên cơ sở cường độ chịu nén và kéo uốn của bê tông xi măng là tốt nhất.
Thiết lập giữa các yếu tố giữa cường độ Rn, Ru và N/XM, Đ/C, CX/CM.

5. Các kết quả thí nghiệm về sự phát triển cường độ bê tông theo ngày:
Rn, Ru, E, co ngót, độ mài mòn của bê tông sử dụng hỗn hợp cát, cũng như
kết quả nghiên cứu khống chế tỷ lệ hạt mịn trong cát xay từ đá là các kết luận
khoa học đáng lưu ý, có tác dụng tham khảo tốt cho giảng dạy, thiết kế, thi
công các công trình giao thông sau này.
6. Kết quả nghiên cứu sử dụng phụ gia siêu dẻo có khả năng cải thiện
những tính năng kỹ thuật của bê tông xi măng sử dụng hỗn hợp cát xay - cát

mịn tự nhiên nhằm giảm chi phí xây dựng công trình, làm tiền đề cho các
bước nghiên cứu tiếp theo.
7. Các kết quả nghiên cứu khẳng định rằng bê tông xi măng dùng hỗn
hợp cát thay thế cát tự nhiên hạt to cho các tính chất cơ học tốt và thỏa mãn
các yêu cầu của bê tông trong xây dựng đường ôtô.











-9-

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG VÀ SỬ
DỤNG CÁT XAY – CÁT TỰ NHIÊN SẢN XUẤT TÔNG XI
MĂNG TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ
1.1 Giới thiệu chung
Bê tông là loại vật liệu không thể thiếu trong xây dựng hiện đại, là một
trong những loại vật liệu xây dựng được sử dụng với khối lượng lớn nhất và
quyết định phần nào mức độ phát triển của văn minh nhân loại, nói cách khác
là sự xuất hiện và phát triển của kết cấu bê tông không tách rời với sự phát
triển của xã hội. Trong giai đoạn đầu tiên, kết cấu bê tông xuất hiện dưới dạng
bản, cột hoặc dầm đơn giản. Các cấu kiện này không hoàn thiện, được thiết kế
một cách mò mẫm, các nguyên tắc tính toán và cấu tạo chưa rõ ràng, giá thành
xây dựng còn cao. Từ cuối thế kỷ XIX, nền công nghiệp phát triển một cách

nhanh chóng càng làm gia tăng nhu cầu sử dụng loại vật liệu bê tông xi măng
đắt tiền này. Do đó, nhiều nhà khoa học đã đi sâu nghiên cứu các tính năng,
tìm tòi cấu tạo và đề xuất lý thuyết tính toán. Những tiêu chuẩn kỹ thuật đầu
tiên về vật liệu và thiết kế kết cấu bê tông xi măng đã được ban hành ở nhiều
nước như: Pháp, Đức, Nga trong khoảng từ năm 1906 đến 1911. Đến đầu thế
kỷ XX, bê tông xi măng đã thực sự trở thành vật liệu xây dựng phổ biến.
Ngày nay, loài người đã đạt đến trình độ phát triển cao nên những hiểu
biết của con người về bê tông xi măng cũng đã đạt đến sự hoàn hảo. Đã có
nhiều đề tài nghiên cứu thành công nhằm nâng cao chất lượng và cải thiện các
tính năng kỹ thuật của bê tông xi măng. Với những ưu điểm vượt trội, bê tông
xi măng ngày nay đã trở thành một loại vật liệu chủ yếu trong xây dựng cơ sở
hạ tầng nói chung và trong xây dựng cơ sở hạ tầng giao thông nói riêng.
Ở Việt Nam, các công trình về bê tông bắt đầu xuất hiện dưới thời Pháp
thuộc, tuy nhiên còn rất đơn giản và ít ỏi. Sau khi miền Bắc được giải phóng,
bắt đầu công cuộc xây dựng đất nước, xây dựng cơ sở hạ tầng thì bê tông xi
măng mới được phát triển nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu xây dựng ngày