Nghiên cứu sử dụng cốt liệu đá quartzite ở Thanh Sơn - Phú Thọ để chế tạo bê tông xi măng mặt đường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGÔ HOÀI THANH

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE
Ở THANH SƠN - PHÚ THỌ ĐỂ CHẾ TẠO BÊ TÔNG
XI MĂNG MẶT ĐƢỜNG

Chuyên ngành: Xây dựng đƣờng ô tô và đƣờng thành phố
Mã ngành:

9.58.02.05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI 2019


iii

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1
1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu ....................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án. ...................................................................................... 2
3. Phạm vi nghiên cứu. .......................................................................................................... 3
4. Phƣơng pháp nghiên cứu. .................................................................................................. 3
5. Cấu trúc của luận án. ......................................................................................................... 4
6. Những đóng góp mới của luận án...................................................................................... 4
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG LÀM ĐƢỜNG VÀ SỬ DỤNG
ĐÁ QUARTZITE TRONG BÊ TÔNG ................................................................................ 6

1.1. Lịch sử phát triển của kết cấu mặt đƣờng BTXM........................................................... 6
1.2. Khái quát chung về bê tông xi măng .............................................................................. 7
1.3. Cấu trúc của bê tông xi măng ......................................................................................... 8
1.3.1. Sự hình thành cấu trúc của bê tông .............................................................................. 8
1.3.2. Cấu trúc vĩ mô, cấu trúc vi mô và cấu trúc nano. ......................................................... 9
1.4. Quy định về tính năng của bê tông xi măng làm đƣờng. .............................................. 10
1.4.1. Quy định về cốt liệu chế tạo bê tông xi măng. ........................................................... 10
1.4.2. Quy định về tính năng của bê tông xi măng làm đƣờng ............................................ 11
1.5. Khái quát về các phƣơng pháp thiết kế thành phần BTXM. ......................................... 12
1.5.1. Phƣơng pháp thiết ế thành phần BTXM theo ACI 211.1.91. ................................... 12
1.5.2. Thiết ế thành phần BTXM theo phƣơng pháp Bolomey-Skramtaev. ...................... 18
1.5.3. Sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm xác định yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng
độ bê tông xi măng làm đƣờng, tính toán tỷ lệ N/X............................................................. 20
1.6. Nghiên cứu đặc điểm địa lý, địa hình và đặc điểm địa chất mỏ đá quartzite ở Thanh
Sơn, Phú Thọ....................................................................................................................... 20
1.7. Các nghiên cứu về đá quartzite và bê tông xi măng mặt đƣờng sử dụng đá quartzite... 25
1.7.1. Các nghiên cứu về đá quartzite và bê tông xi măng mặt đƣờng sử dụng đá quartzite
trên thế giới . ....................................................................................................................... 25
1.7.2. Các nghiên cứu về đá quartzite và bê tông xi măng mặt đƣờng sử dụng đá quartzite ở
Việt Nam. ............................................................................................................................ 33
1.8. Kết luận chƣơng 1 và định hƣớng nghiên cứu của luận án. .......................................... 34
1.8.1. Kết luận chƣơng 1. .................................................................................................. 34


iv

1.8.2. Định hƣớng nghiên cứu của luận án. ......................................................................... 35
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE Ở THANH
SƠN, PHÚ THỌ VÀ CÁC VẬT LIỆU KHÁC ................................................................. 36
2.1. Khái quát chung về cốt liệu. ......................................................................................... 36

2.2. Hệ thống hai thác đá quartzite. ................................................................................... 38
2.2.1. Cơ sở lựa chọn hệ thống hai thác đá quartzite. ........................................................ 38
2.2.2. Phƣơng án hai thác đá quartzite. .............................................................................. 38
2.3. Công nghệ chế biến đá quartzite. .................................................................................. 39
2.3.1. Cơ sở để lựa chọn công nghệ chế biến đá quartzite: .................................................. 39
2.3.2. Sơ đồ công nghệ lựa chọn và các chỉ tiêu đi èm. ..................................................... 39
2.4. Phân tích thành phần hóa học của đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ. ....................... 40
2.5. Vật liệu chế tạo mặt đƣờng BTXM sử dụng đá quartzite. ............................................ 42
2.5.1. Xi măng . ................................................................................................................... 42
2.5.2. Cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ. ....................................................................................... 44
2.6. Vật liệu chế tạo BTXM sử dụng đá vôi. ....................................................................... 58
2.6.1. Cốt liệu lớn là đá vôi 5x20 mỏ Minh Quang, Vĩnh Phúc (dùng để đối chứng).......... 58
2.6.2. Cốt liệu nhỏ là cát Sông Lô, Việt Trì, Phú Thọ.......................................................... 60
2.7. Kết luận chƣơng 2. ....................................................................................................... 62
CHƢƠNG 3. 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 ..................... 63
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. .......................................................................................................... 63
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 toán tỷ lệ N/X............................................................. 63
3.1.2. Thí nghiệm xác định cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ kéo uốn, mô đun đàn hồi của bê
tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi mỏ Minh Quang, Vĩnh Phúc. .................................... 79
3.1.3. Thiết ế thành phần bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn-Phú
Thọ theo phƣơng pháp ACI 211.1.91 [34]........................................................................... 81
3.1.4. Kết luận chƣơng 3. .................................................................................................... 89


v

CHƢƠNG 4. 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 .................................... 91
4.1. Tính ứng xử nhiệt của tấm bê tông xi măng mặt đƣờng . ............................................. 91
4.1.1. Tổng quan về hiệu ứng nhiệt (tác động của nhiệt độ). ............................................... 91
4.1.2. Cơ sở mô tả nhiệt độ.................................................................................................. 91
4.1.3. Điều kiện biên. .......................................................................................................... 92
4.1.4. Mô hình trao đổi nhiệt và các số liệu đầu vào. ........................................................... 95
4.2. Tính toán hệ số giãn nở nhiệt........................................................................................ 96
4.2.1. Hệ số giãn nở nhiệt của hồ xi măng. .......................................................................... 96
4.2.2. Hệ số giãn nở nhiệt của cốt liệu. ................................................................................ 97
4.2.3. Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông. ................................................................................ 98
4.2.4. Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng theo tài liệu [58]. ....................................... 99
4.3. Ứng suất mặt đƣờng bê tông xi măng......................................................................... 102
4.3.1. Ứng suất trong mặt đƣờng bê tông xi măng ở giai đoạn tuổi sớm. .......................... 102
4.3.2. Ứng suất trong tấm bê tông theo tiêu chuẩn hiện hành. ........................................... 105
4.4. Công thức tính hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng theo AASHTO TP 60 (2006)
[32].................................................................................................................................... 105
4.5. Thí nghiệm xác định biến dạng và hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng theo
AASHTO TP 60 ( 2006 ). ................................................................................................. 107
4.5.1. Thiết bị thí nghiệm. ................................................................................................. 107
4.5.2. Giới thiệu về máy đo biến dạng. .............................................................................. 107
4.5.3. Chuẩn bị mẫu thử. ................................................................................................... 109
4.5.4. Trình tự thí nghiệm. ................................................................................................. 110
4.6. Kết quả thí nghiệm: .................................................................................................... 116
4.7. Phân tích kết quả thí nghiệm...................................................................................... 116
4.8. Phân tích ảnh hƣởng của ích thƣớc tấm BTXM, của cốt liệu đá quartzite đến cƣờng độ
và ứng suất nhiệt trong mặt đƣờng bê tông xi măng. ......................................................... 118
4.8.1. Tính toán thiết kế tấm BTXM mặt đƣờng. ............................................................. 118
4.8.2. Tính toán với tấm BTXM có ích thƣớc 4,5m x 3,5m x 0,25m sử dụng cốt liệu đá

vôi. .................................................................................................................................... 120


vi

4.8.3. Tính toán với tấm BTXM có ích thƣớc 4,5m x 3,5m x 0,25m sử dụng cốt liệu đá
quartzite............................................................................................................................. 122
4.9. Phân tích kết quả. ....................................................................................................... 125
4.9.1. Phân tích ảnh hƣởng của cốt liệu đến sự phát triển cƣờng độ của bê tông. .............. 125
4.9.2. Phân tích ảnh hƣởng của cốt liệu đến sự phát triển ứng suất nhiệt........................... 126
4.9.3. Phân tích ảnh hƣởng của ích thƣớc tấm đến khả năng háng nứt của mặt đƣờng bê
tông xi măng ..................................................................................................................... 126
4.9.4. Kết luận. .................................................................................................................. 129
4.10. Phân tích hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của mặt đƣờng BTXM sử dụng cốt liệu đá
quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ. .......................................................................................... 130
4.10.1. Khả năng đáp ứng về cƣờng độ. ............................................................................ 130
4.10.2. Phân tích hiệu quả kinh tế...................................................................................... 130
4.11. Kết luận chƣơng 4. ................................................................................................... 132
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP ...................................... 135
1. Kết luận. ........................................................................................................................ 135
2. Kiến nghị và hƣớng nghiên cứu tiếp.............................................................................. 136
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ............. I
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................II


vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các chỉ tiêu cơ lý của bê tông và độ sụt của hỗn hợp BTXM làm đƣờng ............ 11
Bảng 1.2. Độ sụt đề suất cho các loại công trình xây dựng ................................................. 13

Bảng 1.3. Lƣợng nƣớc nhào trộn sơ bộ và hàm lƣợng bọt khí yêu cầu cho độ sụt và Dmax
cốt liệu khác nhau................................................................................................................ 14
Bảng 1.4. Quan hệ giữa tỷ lệ nƣớc-xi măng và cƣờng độ chịu nén của bê tông .................. 15
Bảng 1.5. Thể tích của cốt liệu lớn trong một đơn vị thể tích bê tông ................................. 16
Bảng 1.6. Khối lƣợng thể tích sơ bộ của hỗn hợp bê tông ban đầu...................................... 17
Bảng 1.7. Hƣớng dẫn chọn độ sụt đề xuất cho bê tông ....................................................... 18
Bảng 1.8. Hệ số tra A và A' theo TCVN9382:2012 [15] ..................................................... 19
Bảng 1.9. Tọa độ hu thăm dò diện tích.............................................................................. 22
Bảng 1.10. Thành phần hóa học của đá quartzite phong hóa. .............................................. 24
Bảng 1.11. Thành phần hoá học và đặc tính cơ lý của đá quartzite ở các vỉa ...................... 25
Bảng 1.12. Tính chất khối lƣợng của cốt liệu ...................................................................... 30
Bảng 1.13. Đặc điểm AIMS của cốt liệu ............................................................................. 30
Bảng 1.14. Năng lƣợng bề mặt, mô đun và CTE của cốt liệu.............................................. 31
Bảng 1.15. Hệ số giãn nở nhiệt của các loại đá hác nhau .................................................. 32
Bảng 1.16. Các loại đá trong xây dựng ............................................................................... 33
Bảng 1.17. Bảng kết quả các chỉ tiêu khoáng hóa ............................................................... 34
Bảng 2.1. Bảng kết quả phân tích toàn phần thành phần hóa học của đá quartzite Thanh
Sơn, Phú Thọ....................................................................................................................... 41
Bảng 2.2. Cƣờng độ nén và cƣờng độ kéo uốn của xi măng dùng làm mặt đƣờng bê tông xi
măng ................................................................................................................................... 42
Bảng 2.3. Các chỉ tiêu hóa, lý của xi măng dùng làm mặt đƣờng BTXM ........................... 42
Bảng 2.4. Kết quả phân tích thành phần hạt đá quartzite 5x20 ............................................ 46
Bảng 2.5. Khối lƣợng riêng, độ hút nƣớc của cốt liệu lớn đá quartzite............................... 47
Bảng 2.6. Khối lƣợng thể tích xốp của cốt liệu lớn đá quartzite .......................................... 47
Bảng 2.7. Hàm lƣợng thoi dẹt của cốt liệu lớn đá quartzite ................................................. 48
Bảng 2.8. Độ hao mòn LosAngeles..................................................................................... 49
Bảng 2.9. Độ nén dập và hệ số hóa mềm ............................................................................ 50
Bảng 2.10. Bảng xác định cƣờng độ chịu nén của đá gốc .................................................. 50

viii

Bảng 2.11. Hàm lƣợng hạt mềm yếu, phong hóa ................................................................ 51
Bảng 2.12. Hàm lƣợng bụi, bùn, sét .................................................................................... 52
Bảng 2.13. Bảng tổng hợp ết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của đá quartzite. ......... 52
Bảng 2.14. Kết quả phân tích thành phần hạt cát quartzite .................................................. 53
Bảng 2.15. Khối lƣợng riêng, độ hút nƣớc của cát quartzite............................................... 55
Bảng 2.16. Khối lƣợng thể tích xốp của cát quartzite .......................................................... 56
Bảng 2.17. Hàm lƣợng bụi, bùn, sét .................................................................................... 56
Bảng 2.18. Bảng tổng hợp ết quả thí nghiệm cát quartzite. ............................................... 57
Bảng 2.19. Kết quả phân tích thành phần hạt đá vôi 5x20................................................... 59
Bảng 2.20. Bảng tổng hợp ết quả các chỉ tiêu kỹ thuật đá vôi. .......................................... 60
Bảng 2.21. Kết quả phân tích thành phần hạt cát Sông Lô .................................................. 61
Bảng 2.22. Bảng tổng hợp ết quả thí nghiệm cát Sông Lô ................................................ 62
Bảng 3.1. Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hƣởng ....................................... 64
Bảng 3.2. Bảng kế hoạch thực nghiệm tƣơng quan giữa mã thực và biến mã hóa .............. 65
Bảng 3.3. Kế hoạch thực nghiệm tại tâm............................................................................. 65
Bảng 3.4. Thành phần vật liệu hỗn hợp 1 ............................................................................ 66
Bảng 3.5. Thành phần vật liệu hỗn hợp 2 ............................................................................ 66
Bảng 3.6. Thành phần vật liệu hỗn hợp 3 ............................................................................ 67
Bảng 3.7. Thành phần vật liệu hỗn hợp 4 ............................................................................ 67
Bảng 3.8. Thành phần vật liệu hỗn hợp 5 ............................................................................ 68
Bảng 3.9. Kết quả độ sụt theo quy hoạch thực nghiệm........................................................ 69
Bảng 3.10. Kết quả cƣờng độ chịu nén của bê tông ............................................................ 72
Bảng 3.11. Kết quả cƣờng độ kéo uốn của bê tông ............................................................. 73
Bảng 3.12. Mô đun đàn hồi bê tông đá quartzite ................................................................. 75
Bảng 3.13. Bảng kế hoạch thực nghiệm tƣơng quan giữa mã thực và biến mã hóa ............ 75
Bảng 3.14. Kế hoạch thực nghiệm tại tâm........................................................................... 76
Bảng 3.15. Cƣờng độ chịu nén của bê tông đá vôi .............................................................. 80
Bảng 3.16. Cƣờng độ éo uốn của bê tông đá vôi ............................................................... 80

Bảng 3.17. Mô đun đàn hồi bê tông đá vôi.......................................................................... 80
Bảng 3.18. Thành phần vật liệu hỗn hợp bê tông cấp 40 ..................................................... 83
Bảng 3.19. Kết quả độ sụt ................................................................................................... 84
Bảng 3.20. Kết quả cƣờng độ chịu nén của bê tông cấp 40 ................................................. 85


ix

Bảng 3.21. Đánh giá cƣờng độ chịu nén của bê tông .......................................................... 87
Bảng 3.22. Cƣờng độ éo uốn của bê tông.......................................................................... 88
Bảng 4.1. Hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào phƣơng pháp bảo dƣỡng bê tông.................... 93
Bảng 4.2. Các giá trị bức xạ mặt trời ................................................................................... 94
Bảng 4.3. Nhiệt dung riêng cho các cốt liệu khác nhau ....................................................... 96
Bảng 4.4. Hệ số giãn nở nhiệt của việc mở rộng các cốt liệu chọn lọc ............................... 98
Bảng 4.5. Hệ số giãn nở nhiệt theo Hak Chul Shin [49]...................................................... 99
Bảng 4.6. Hệ số giãn nở nhiệt theo QĐ3230 [5] ................................................................. 99
Bảng 4.7. Ảnh hƣởng của tỷ lệ X/C đến hệ số giãn nở nhiệt [58] ....................................... 99
Bảng 4.8. Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông với các loại cốt liệu khác nhau........................ 101
Bảng 4.9. Bảng tổng hợp kết quả tính kết cấu mặt đƣờng BTXM .................................... 124
Bảng 4.10. Cƣờng độ chịu kéo của bê tông....................................................................... 125
Bảng 4.11. Bảng ứng suất nhiệt lớn nhất trong bê tông ..................................................... 126
Bảng 4.12. Kiểm toán ứng suất nhiệt tại tấm có ích thƣớc tấm 4m x 3,5m x 0,25m ....... 126
Bảng 4.13. Bảng tổng hợp kết quả tính ứng suất nhiệt và chiều dài tấm BTXM............... 128
Bảng 4.14. Bảng tổng hợp về cƣờng độ của bê tông ......................................................... 130
Bảng 4.15. Bảng khối lƣợng vật liệu cho 1 m đƣờng ....................................................... 131
Bảng 4.16. Bảng giá thành vật liệu BTXM ....................................................................... 131


x

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình1.1. Hình ảnh về mỏ đá ............................................................................................... 21
Hình 1.2. Bản đồ phân bố các mỏ đá ở Mỹ ......................................................................... 29
Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ hai thác đá quartzite nguyên liệu ............................................ 38
Hình 2.2. Sơ đồ công nghệ khai thác bốc đất đá vây quanh ................................................ 39
Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ chế biến đá quartzite................................................................. 40
Hình 2.4. Sản phẩm đá quartzite và cát quartzite................................................................. 40
Hình 2.5. Hình ảnh đá quartzite đƣợc khai thác tại mỏ........................................................ 41
Hình 2.6. Thí nghiệm xác định thành phần hạt của cốt liệu................................................. 45
Hình 2.7. Thành phần hạt của đá quartzite 5x20 ................................................................. 46
Hình 2.8. Máy LosAngeles ................................................................................................. 48
Hình 2.9. Xác định độ nén dập và hệ số mềm của đá .......................................................... 49
Hình 2.10. Thành phần hạt của cát quartzite ....................................................................... 54
Hình 2.11. Thành phần hạt của đá vôi 5x20 ........................................................................ 59
Hình 2.12. Thành phần hạt của cát Sông Lô........................................................................ 61
Hình 3.1. Mô tả độ sụt bê tông tƣơi bằng côn Abrams ........................................................ 69
Hình 3.2. Công tác đúc mẫu. ............................................................................................... 70
Hình 3.3. Công tác bảo dƣỡng và vớt mẫu. ......................................................................... 71
Hình 3.4. Thí nghiệm nén mẫu bê tông ............................................................................... 72
Hình 3.5. Thí nghiệm éo uốn mẫu. .................................................................................... 73
Hình 3.6. Biểu đồ cƣờng độ chịu nén của bê tông xi măng cấp 40...................................... 88
Hình 4.1. Quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt của bê tông và môi trƣờng xung quanh ................ 95
Hình 4.2. Mối quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và ngày tuổi của bê tông xi măng............. 97
Hình 4.3. Mối quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và độ ẩm của bê tông xi măng [57] .......... 97
Hình 4.4. Quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt của cốt liệu và hệ số giãn nở nhiệt của bê tông
[58].................................................................................................................................... 100
Hình 4.5. Mối quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và độ ẩm của bê tông xi măng [58]...... 102
Hình 4.6. Mối quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt với độ ẩm và thời gian [58] .................... 102
Hình 4.7. Máy đo biến dạng Model P3 ............................................................................. 108
Hình 4.8. Máy đo biến dạng SDA – 830B ........................................................................ 109

Hình 4.9. Cân vật liệu theo thiết kế thành phần bê tông .................................................... 111
Hình 4.10. Trộn vật liệu .................................................................................................... 112


xi

Hình 4.11. Khuôn tạo mẫu ................................................................................................ 112
Hình 4.12. Mẫu thí nghiệm ............................................................................................... 112
Hình 4.13. Đo chiều dài mẫu............................................................................................. 113
Hình 4.14. Mẫu đƣợc ủ lạnh trong bể đá ........................................................................... 113
Hình 4.15. Chạy thử máy .................................................................................................. 114
Hình 4.16. Đo nhiệt độ ở thời điểm bất kỳ ........................................................................ 114
Hình 4.17. Hình ảnh mẫu trong bể .................................................................................... 115
Hình 4.18. Vận hành thiết bị đo......................................................................................... 115
Hình 4.19. Máy tính hiển thị số liệu .................................................................................. 116
Hình 4.20. Biểu đồ quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và độ tuổi của bê tông..................... 117
Hình 4.21. Biểu đồ quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và loại cốt liệu của bê tông ............. 117
Hình 4.22. Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất nhiệt và chiều dài tấm BTXM ........................ 128


xii

CÁC TỪ VIẾT TẮT CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu
AASHTO

: Hiệp hội những ngƣời làm đƣờng bộ và vận tải Mỹ

ACI

: Viện bê tông Mỹ

ASTM

: Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu Mỹ

BTXM

: Bê tông xi măng

CTE

: Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng

C

: Cát

D

: Đá

D/C

: Đá/Cát

GTVT

: Giao thông vận tải

L.A

: LosAngeles

N/X

: Nƣớc/Xi măng

N/CKD

: Tỷ lệ nƣớc/chất kết dính

N

: Nƣớc

NCS

: Nghiên cứu sinh

PGSD

: Phụ gia siêu dẻo

QĐ3230

: Quy định tạm thời về thiết kế mặt đƣờng bê tông xi măng
thông thƣờng có khe nối trong xây dựng công trình giao
thông

QĐ1951

: Quy định tạm thời về kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt
đƣờng bê tông xi măng trong xây dựng công trình giao thông

Rn

: Cƣờng độ chịu nén của bê tông

Rku

: Cƣờng độ kéo uốn của bê tông

Ryc

: Cƣờng độ yêu cầu của bê tông

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

TCN

: Tiêu chuẩn ngành

X

: Xi măng

X/N

: Xi măng/Nƣớc


1

MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu
Bê tông là một loại vật liệu chiếm tỷ trọng lớn trong hầu hết các công trình
xây dựng. Với ƣu điểm dễ tạo hình, khả năng chịu lực tốt, tuổi thọ cao, lại tận
dụng đƣợc nguồn vật liệu địa phƣơng nên cho tới nay trong lĩnh vực xây dựng
công trình, chƣa có loại vật liệu nào có ƣu thế bằng bê tông. Nhu cầu xây dựng
công trình giao thông là rất lớn (hàng trăm nghìn m quốc lộ), nhƣng thực tế sử
dụng mặt đƣờng bê tông xi măng tại Việt Nam còn thiếu về số lƣợng (khoảng
700 km quốc lộ) và chƣa đạt yêu cầu về chất lƣợng (rất nhiều hƣ hỏng). Trong
hi đó, rất nhiều nƣớc trên thế giới (nhƣ Mỹ, Đức, Trung Quốc…) đã đẩy mạnh
và áp dụng rất thành công mặt đƣờng bê tông xi măng này trong xây dựng mặt
đƣờng ôtô và sân bay [28]. Bê tông xi măng mặt đƣờng cần có cốt liệu và xi
măng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của bê tông, cốt liệu chất lƣợng cao để chế
tạo bê tông xi măng mặt đƣờng là cần thiết, đƣợc quan tâm. Theo quy định kỹ
thuật của mặt đƣờng bê tông xi măng thì bê tông mặt đƣờng có cƣờng độ kéo
uốn cho đƣờng cao hơn 5MPa, thông thƣờng bê tông để đạt cƣờng độ kéo uốn
nhƣ trên có cƣờng độ chịu nén há cao thƣờng là lớn hơn 50MPa đo trên mẫu
hình trụ, nhƣ vậy cƣờng độ của bê tông làm đƣờng phải là bê tông có cƣờng độ
cao. Chất lƣợng cốt liệu tốt cho phép cải thiện cƣờng độ chịu nén và kéo uốn và
hơn nữa tăng cƣờng đƣợc độ bền chống hao mòn của mặt đƣờng bê tông xi
măng, đây là một trong các yếu tố cơ bản của bê tông xi măng làm mặt đƣờng
ôtô.
Đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ là một loại cốt liệu chất lƣợng cao, trữ
lƣợng khá lớn, khoảng trên 10 triệu tấn [2]. Việc khai thác tận dụng đƣợc vật

liệu địa phƣơng để chế tạo bê tông trong xây dựng đƣờng là cấp thiết để hạn chế
sự vận chuyển của các loại cốt liệu làm tăng giá thành xây dựng.
Theo [29] quy hoạch công nghiệp xi măng giai đoạn 2011-2020 thì nhu cầu
sử dụng xi măng năm 2011 là 50 triệu tấn, trong lúc đó tổng công suất của các
nhà máy năm 2011 đã sản suất là hơn 60 triệu tấn tạo ra hủng hoảng thừa về xi
măng trong nƣớc, hơn nữa nguồn tro bay từ các nhà máy nhiệt điện thải ra với


2

một lƣợng tƣơng đối lớn. Vì vậy về cơ bản các nguồn cốt liệu và chất ết dính
để chế tạo bê tông xi măng mặt đƣờng là sẵn có và có thể hai thác đƣợc ở địa
phƣơng, nên hạn chế đƣợc vận chuyển từ các địa phƣơng hác sang, làm tăng
giá thành của bê tông xi măng mặt đƣờng.
Vì vậy, có thể nói rằng xét về phƣơng diện vật liệu hay công nghệ chế tạo
và thi công thì bê tông xi măng mặt đƣờng dùng cốt liệu từ đá quartzite ở mỏ
Thanh Sơn, Phú Thọ trong xây dựng là một giải pháp nâng cao chất lƣợng của
mặt đƣờng bê tông xi măng hiện nay.
Mặt hác, các công trình nghiên cứu về bê tông xi măng ở Việt Nam tới
nay cũng chƣa có công trình nghiên cứu và thực nghiệm có hệ thống và đầy đủ
về đặc tính nhiệt của bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite, cụ thể là tính
toán và đo thực nghiệm hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng, tìm hiểu mối
quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt với ngày tuổi, với các loại cốt liệu hác nhau,
với cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ éo uốn của bê tông xi măng. Các công trình
nghiên cứu cũng ít đề cập tới ảnh hƣởng của cốt liệu đến cƣờng độ, ứng suất
nhiệt của bê tông mặt đƣờng.
Vì các lý do trên việc nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý của đá quartzite, thiết
kế thành phần bê tông, nghiên cứu đặc tính nhiệt của bê tông thông qua xác định
hệ số giãn nở nhiệt, cƣờng độ và ứng suất nhiệt của bê tông sử dụng cốt liệu đá
quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ đáp ứng đƣợc nhu cầu của ngành xây dựng công

trình giao thông đang đòi hỏi và cần loại bê tông xi măng làm đƣờng chất lƣợng,
hiệu quả khai thác sử dụng cao mà tận dụng đƣợc vật liệu địa phƣơng. Chính vì
vậy “Nghiên cứu sử dụng cốt liệu đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ để chế tạo
bê tông xi măng mặt đƣờng” là vấn đề cấp thiết hiện nay, có ý nghĩa hoa học
và thực tiễn rõ rệt.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án.
Mục tiêu nghiên cứu là để hoàn thiện cơ sở hoa học cũng nhƣ thực tiễn sử
dụng cốt liệu từ đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ để chế tạo bê tông xi măng
mặt đƣờng đạt các yêu cầu ỹ thuật trong xây dựng đƣờng ở hu vực Tây Bắc.
Nghiên cứu góp phần vào việc hai thác hợp lý nguồn vật liệu địa phƣơng trong


3

xây dựng giao thông vận tải đặc biệt là mặt đƣờng bê tông xi măng với các yêu
cầu cao nhƣ hiện nay.
3. Phạm vi nghiên cứu.
- Sử dụng cốt liệu chế tạo từ đá quartzite rắn chắc ở Thanh Sơn, Phú Thọ để
làm cốt liệu cho bê tông xi măng mặt đƣờng. Định hƣớng của luận án là nghiên
cứu sử dụng quartzite rắn chắc thay thế hoàn toàn cốt liệu lớn trong bê tông, cốt
liệu nhỏ là cát quartzite rắn chắc, lý do là tận dụng vật liệu địa phƣơng và mong
muốn nghiên cứu bê tông xi măng sử dụng cốt liệu quartzite rắn chắc.
- Bê tông đá quartzite rắn chắc sẽ đƣợc áp dụng ở đƣờng cấp III, đƣờng có
quy mô giao thông cấp nặng. NCS đã giả định tuyến đƣờng thiết ế làm mới
thuộc hu vực Thanh Sơn, Phú Thọ là nơi gần với nguồn vật liệu đƣợc sử dụng
để nghiên cứu và thí nghiệm. Do đá quartzite rắn chắc chƣa đƣợc dùng trong
xây dựng đƣờng ô tô, luận án nghiên cứu sử dụng cốt liệu quartzite rắn chắc
trong bê tông xi măng xây dựng đƣờng nhằm đóng góp hả năng sử dụng vật
liệu này. Có nhiều phƣơng án sử dụng cốt liệu quartzite rắn chắc đó là sử dụng
làm cốt liệu thô, mịn hoặc là cả thô và mịn. Tuy nhiên trong luận án để nghiên

cứu ảnh hƣởng bất lợi về nhiệt cho nên đã sử dụng hoàn toàn cốt liệu quartzite
rắn chắc. Còn phƣơng án khác cần đƣợc nghiên cứu thêm. Vì vậy NCS xin phép
đƣợc nêu phƣơng án chỉ thay một phần cốt liệu trong hỗn hợp bê tông bằng
quartzite rắn chắc vào phần hƣớng nghiên cứu tiếp của luận án.
- Thí nghiệm các tính năng cơ học chính của bê tông xi măng sử dụng cốt
liệu đá quartzite rắn chắc ở Thanh Sơn, Phú Thọ theo yêu cầu về thiết ế và thi
công mặt đƣờng.
- Trong thiết ế ết cấu mặt đƣờng bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá
quartzite rắn chắc Thanh Sơn, Phú Thọ có sử dụng các số liệu về tải trọng, hí
hậu, lớp móng và đất nền đƣờng theo quyết định QĐ3230[5].
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.
- Kết hợp nghiên cứu lí thuyết với thực nghiệm trong phòng để xác định
các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu đá, các đặc tính của bê tông xi măng.
- Phƣơng pháp phân tích tổng hợp để làm rõ mục tiêu nghiên cứu của luận án.


4

5. Cấu trúc của luận án.
Luận án gồm Mở đầu, 4 chƣơng, Kết luận, Kiến nghị nhƣ sau:
Mở đầu.
Chƣơng 1: Tổng quan về bê tông xi măng làm đƣờng và sử dụng đá
quartzite trong bê tông.
Chƣơng 2: Nghiên cứu đặc tính cốt liệu đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ
và các vật liệu khác.
Chƣơng 3: Thiết kế thành phần BTXM 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.
Chƣơng 4: Nghiên cứu hệ số giãn nở nhiệt của BTXM, nghiên cứu hiệu
quả kinh tế, kỹ thuật của mặt đƣờng BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite.

Kết luận, Kiến nghị.
6. Những đóng góp mới của luận án.
+ Nghiên cứu về đặc tính cốt liệu của đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ và
khẳng định vật liệu này phù hợp với tiêu chuẩn hiện hành và có thể đƣợc sử
dụng để chế tạo BTXM mặt đƣờng.
+ Bằng quy hoạch thực nghiệm tác giả tìm ra đƣợc phƣơng trình hồi quy
mô tả mối quan hệ giữa các hàm mục tiêu: cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ éo
uốn với yếu tố ảnh hƣởng là tỷ lệ X/N, hai phƣơng trình hồi quy là:

y1  19,19 X 2  5,62
y2  X 2  2,77

 2,5  X
 2,5  X

2

 3,5

2

 3,5

+ Các kết quả thí nghiệm về cƣờng độ chịu nén, cƣờng độ kéo uốn, mô đun
đàn hồi, độ sụt của BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite có tác dụng tham khảo
tốt trong giảng dạy, trong việc thiết kế, thi công các công trình giao thông cũng
nhƣ đƣờng ô tô sau này.
+ Đã nghiên cứu về hệ số giãn nở nhiệt của BTXM sử dụng cốt liệu đá
quartzite.

5

+ Thông qua thực nghiệm tác giả xác định đƣợc biến dạng và hệ số giãn nở
nhiệt của bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite và bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi
theo các ngày tuổi bằng máy đo biến dạng SDA – 830B cụ thể nhƣ sau:
- Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite theo 3, 7, 14, 28 ngày tuổi có hệ số
giãn nở nhiệt bằng 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 bằng 7,4791; 7,3830; 7,3996; 7,4132(10-6/0C ).
+ Luận án đã tính toán tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite và
cốt liệu đá vôi với các ích thƣớc dự kiến là 4m x 3,5m x 0,25m, ích thƣớc 4,5m x
3,5m x 0,25m, theo quyết định QĐ3230[5] của Bộ Giao thông vận tải.
- Kết quả tính toán cho thấy các tấm BTXM đều đạt yêu cầu về cƣờng độ, ứng
suất nhiệt, ứng suất gây mỏi.
- Khi thiết kế cùng thành phần thì bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đã tăng
đồng thời cƣờng độ và ứng suất nhiệt so với bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi. Trong
đó cƣờng độ chịu éo tăng 1,1% còn ứng suất nhiệt lớn nhất tăng 33,59%.
- Do các yếu tố trên nên mặt đƣờng bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite có
nguy cơ sảy ra nứt trên mặt tấm cao hơn mặt đƣờng bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi,
tỷ lệ chênh lệch gây nứt của bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite cao hơn bê tông
sử dụng cốt liệu đá vôi là 5,41%.
- Kích thƣớc chiều dài của tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite
nên chọn nhỏ hơn

ích thƣớc chiều dài tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá

vôi. Kích thƣớc chiều dài của tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên
chọn bằng 3,8m.
+ Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đáp ứng đƣợc các yêu cầu về cƣờng

độ, hiệu quả kinh tế tốt do giá thành vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite rẻ
hơn so với giá thành vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi.


6

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG XI MĂNG LÀM ĐƢỜNG VÀ SỬ
DỤNG ĐÁ QUARTZITE TRONG BÊ TÔNG
1.1. Lịch sử phát triển của kết cấu mặt đƣờng BTXM.
Theo các tài liệu [26], [28] bê tông là một trong các loại vật liệu xây dựng
đƣợc sử dụng với hối lƣợng lớn và hông thể thiếu trong xây dựng hiện đại.
Trong giai đoạn đầu tiên ết cấu bê tông đƣợc chế tạo dƣới dạng bản, dầm, cột
đơn giản, giá thành xây dựng vẫn còn cao, từ cuối thế ỷ XIX nhu cầu sử dụng
bê tông xi măng càng cao do sự phát triển của công nghiệp.
Do yêu cầu cao trong các điều iện hắc nghiệt nên từ lâu mặt đƣờng bằng
bê tông xi măng hông cốt thép đã đƣợc sử dụng nhiều ở các nƣớc. Ở Anh từ
năm 1872 đã làm mặt đƣờng bê tông xi măng ở 3 phố tại Êđibua. Ở Mỹ đƣợc
làm mặt đƣờng BTXM đầu tiên vào năm 1892, nhƣng đến 1925-1930 mới phát
triển phổ biến, hiện nay chiếm hoảng 9%. Ở Nga làm mặt đƣờng BTXM vào
năm 1913. Ở Đức hàng năm có hoảng 17 triệu m2 đƣờng BTXM đƣợc sử dụng,
đa phần là bê tông xi măng chất lƣợng cao, chiếm hoảng 25% đƣờng cao tốc. Ở
Trung Quốc mới chỉ từ năm 1950 đƣa vào sử dụng mặt đƣờng BTXM, mà đến
những năm 1970 đã sử dụng phổ biến, mặt đƣờng BTXM chiếm 60% đƣờng cao
tốc. Ở Việt Nam đầu tiên đƣợc sử dụng là mặt đƣờng Hùng Vƣơng vào năm
1975, sau đó có nhiều dự án Quốc lộ 2, quốc lộ 18, Quốc lội 1A, đƣờng Hồ Chí
Minh giai đoạn 1 hoảng 400km.
Theo các tài liệu [17], [20], mặt đƣờng BTXM là loại mặt đƣờng cứng, cấp
cao thƣờng đƣợc dùng làm mặt đƣờng trong sân bay và trên các trục đƣờng ô tô
có nhiều xe tải nặng, áp suất bánh xe lên mặt đƣờng từ 5 đến 7 Pa, mật độ xe
lớn và tốc độ xe chạy cao.

Theo các tài liệu [16], [18], [27] mặt đƣờng BTXM gồm có mặt đƣờng
BTXM thông thƣờng, mặt đƣờng BTXM cốt thép có he nối, mặt đƣờng BTXM
lƣới thép, mặt đƣờng BTXM lƣới thép liên tục.
Mặt đƣờng bê tông xi măng ở Việt Nam hiện nay cũng đã có nhiều hƣ
hỏng nhƣ nứt vỡ tấm, vỡ cả cốt liệu, trong đó có nguyên nhân do sử dụng cốt


7

liệu chất lƣợng chƣa đảm bảo. Vì vậy việc sử dụng cốt liệu chất lƣợng cao để cải
thiện chất lƣợng bê tông xi măng mặt đƣờng là cần thiết.
1.2. Khái quát chung về bê tông xi măng
Theo các tài liệu [1], [21], [22], [23], [24] bê tông xi măng là loại vật liệu
đá nhân tạo nhận đƣợc sau khi làm rắn chắc hỗn hợp bê tông. Hỗn hợp bê tông
có thành phần đƣợc lựa chọn hợp lý gồm xi măng, nƣớc, cốt liệu (cát, sỏi hay đá
dăm) và phụ gia.
Trong bê tông cốt liệu đóng vai trò là bộ khung chịu lực để tăng cƣờng
các đặc tính cơ học cho bê tông, đồng thời giảm giá thành cho bê tông. Hỗn hợp
xi măng và nƣớc bao bọc xung quanh hạt cốt liệu đóng vai trò là chất dính kết
liên kết các hạt cốt liệu, đồng thời lấp đầy các khoảng trống giữa các cốt liệu.
Bê tông là vật liệu chính đƣợc sử dụng để xây dựng các công trình xây
dựng, công trình giao thông, thuỷ lợi.
Bê tông có cốt thép gọi là bê tông cốt thép. Khi sử dụng cốt thép dự ứng
lực trong bê tông thì gọi là bê tông dự ứng lực. Cốt thép dự ứng lực cải thiện
trạng thái ứng suất trong kết cấu bê tông.
Trong bê tông xi măng cốt liệu thƣờng chiếm 70 - 75%, còn xi măng và
các thành phần khác chiếm 30 - 25% thể tích của khối bê tông đã đóng rắn.
Bê tông và bê tông cốt thép đƣợc sử dụng rộng rãi trong xây dựng vì có
những ƣu điểm nhƣ: cƣờng độ cao; có thể chế tạo đƣợc những loại bê tông có
cƣờng độ, hình dạng và tính chất khác nhau; giá thành hợp lý; bền vững và ổn

định đối với nƣớc, nhiệt độ, độ ẩm. Tuy vậy, bê tông khá nặng và cách âm, cách
nhiệt kém.
Yêu cầu cơ bản của bê tông là phải đạt đƣợc độ dẻo để dễ thi công; đạt
cƣờng độ ở tuổi quy định hoặc đạt các yêu cầu hác nhƣ độ chống thấm, ổn định
với môi trƣờng và độ tin cậy hi hai thác, giá thành hông quá đắt.
Với các loại bê tông đặc biệt phải tuân theo các quy định riêng, nhƣ cƣờng
độ rất cao, rắn chắc nhanh, rất nhẹ, chống thấm cao hoặc dễ thi công.
Bê tông có nhiều loại, theo từng yêu cầu có các loại sau:


8

Theo cƣờng độ (mẫu trụ đƣờng kính 150 mm, chiều cao 300 mm, tuổi 28
ngày) có:
Bê tông thƣờng, cƣờng độ từ 15 - 60 MPa.
Bê tông cƣờng độ cao, cƣờng độ nén từ 60 – 100 MPa.
Bê tông cƣờng độ rất cao, cƣờng độ nén từ 100 – 200 MPa.
Trong xây dựng cầu đƣờng thƣờng sử dụng bê tông có cƣờng độ khoảng
25 - 60 MPa và lớn hơn.
Theo loại cốt liệu: bê tông cốt liệu đặc, bê tông cốt liệu rỗng, bê tông cốt
liệu đặc biệt (bê tông kêramdit, bê tông cốt kim loại (chống phóng xạ).
Theo khối lƣợng thể tích: Bê tông đặc biệt nặng (0 > 3.0-5.0 g/cm3), chế
tạo từ cốt liệu đặc biệt nặng, dùng cho những kết cấu đặc biệt; bê tông nặng
(0 = 2.0-2.5 g/cm3) chế tạo từ cát đá sỏi tự nhiên, dùng cho kết cấu chịu lực; bê
tông nhẹ (0= 0.9-1.8 g/cm3); bê tông đặc biệt nhẹ (0  0.5 g/cm3) đƣợc sử
dụng trong các kết cấu đặc biệt.
Theo phạm vi sử dụng: Bê tông thƣờng đƣợc dùng trong các kết cấu bê
tông cốt thép (móng, cột, dầm, sàn ....); bê tông thuỷ công, dùng để xây đập, âu
thuyền, phủ lớp mái kênh, các công trình dẫn nƣớc ...; bê tông mặt đƣờng, sân
bay; bê tông kết cấu bao che (thƣờng là bê tông nhẹ); bê tông đặc biệt: Bê tông

chịu nhiệt, chịu axit, bê tông chống phóng xạ ...
1.3. Cấu trúc của bê tông xi măng
1.3.1. Sự hình thành cấu trúc của bê tông
Sau khi trộn và đầm nén, các cấu trúc con của hỗn hợp bê tông đƣợc sắp
xếp lại, cùng với sự thuỷ hoá của xi măng cấu trúc của bê tông đƣợc hình thành.
Giai đoạn này gọi là giai đoạn hình thành cấu trúc. Các sản phẩm mới đƣợc hình
thành do xi măng thuỷ hoá dần dần tăng lên, đến một lúc nào đó chúng tách ra
khỏi dung dịch quá bão hoà. Số lƣợng sản phẩm mới tách ra tăng lên đến một
mức nào đó thì cấu trúc keo tự chuyển sang cấu trúc tinh thể, làm cho cƣờng độ
của bê tông tăng lên. Sự hình thành cấu trúc tinh thể sẽ sinh ra hai hiện tƣợng
ngƣợc nhau: tăng cƣờng độ và hình thành nội ứng suất trong mạng lƣới tinh thể.


9

Khoảng thời gian hình thành cấu trúc, cũng nhƣ cƣờng độ ban đầu của bê
tông phụ thuộc vào thành phần của bê tông, loại xi măng và loại phụ gia. Hỗn
hợp bê tông cứng và kém dẻo với tỷ lệ nƣớc/xi măng hông lớn có giai đoạn
hình thành cấu trúc ngắn. Việc dùng xi măng và phụ gia hợp lý sẽ rút ngắn giai
đoạn hình thành cấu trúc [21], [22], [23], [24].
1.3.2. Cấu trúc vĩ mô, cấu trúc vi mô và cấu trúc nano.
1.3.2.1. Cấu trúc vĩ mô.
Bê tông có cấu trúc vĩ mô phức tạp. Trong một đơn vị thể tích hỗn hợp bê
tông đã lèn chặt bao gồm thể tích của cốt liệu Vcl , thể tích hồ xi măng Vx và thể
tích lỗ rỗng khí Vk:
Vcl + Vx + Vk = 1

(1.1)

Khi đầm nén hợp lý thể tích lỗ rỗng khí có thể coi nhƣ hông đáng ể

(Vk = 2 - 3%) và lúc đó Vcl + Vh = 1 hay:
Vcl 

X

X

 N 1

Trong đó: x - khối lƣợng riêng của xi măng T/m3; X, N - lƣợng dùng xi
măng và lƣợng dùng nƣớc cho 1m3 hỗn hợp bê tông đã lèn chặt.
1.3.2.2. Cấu trúc vi mô của bê tông.
Cấu trúc vi mô của bê tông đặc trƣng bằng cấu trúc của cốt liệu, cấu trúc hồ
xi măng và cấu trúc vùng tiếp giáp giữa cốt liệu với hồ xi măng và các lỗ rỗng.
Có thể coi cấu trúc của bê tông bao gồm nhiều cấu trúc con.
Cấu trúc cốt liệu:
Cấu trúc cốt liệu đƣợc hình thành do sự lồng ghép của các cốt liệu nhỏ lấp
đầy lỗ rỗng của cốt liệu lớn. Sự phối hợp hợp lý của thành phần, cấp phối hạt và
cỡ hạt sẽ làm cho cấu trúc cốt liệu có độ đặc cao nhất, hi đó lƣợng xi măng và
nƣớc sẽ là ít nhất, bê tông có các tính chất cơ lý tốt và giá thành thấp.
Cấu trúc của đá xi măng:
Khi gặp nƣớc các hạt xi măng tạo màng kết dính. Màng liên kết xi măngnƣớc bao quanh hạt cốt liệu nhỏ tạo ra hồ kết dính (hồ xi măng). Phản ứng thủy
hoá xi măng tạo ra cấu trúc keo và kết tinh. Trong cấu trúc của đá xi măng còn


10

có những hạt xi măng han. Ở giữa các hạt xi măng đã thuỷ hoá là lỗ rỗng có
chứa nƣớc. Nƣớc nhào trộn một phần nhỏ dùng để bôi trơn hạt cốt liệu, một
phần dùng để tạo thành cấu trúc của đá xi măng, còn một phần lớn bị cốt liệu hút

vào. Vì vậy, hỗn hợp bê tông sau hi đổ khuôn có thể xảy ra sự tách nƣớc ở bên
trong, nƣớc sẽ đọng lại trên bề mặt hạt cốt liệu lớn và làm yếu mối liên kết giữa
chúng với phần đá xi măng.
Cấu trúc vùng tiếp xúc giữa cốt liệu và đá xi măng
Ở vùng tiếp giáp giữa đá xi măng và cốt liệu tồn tại các lớp hồ xi măng
dính bám vào bề mặt cốt liệu, các vùng chứa nƣớc do sự tách nƣớc bên trong
của hồ xi măng, các lỗ rỗng do nƣớc bốc hơi và các phần tử Ca(OH)2 tự do.
Trong bê tông thƣờng vùng này là vùng yếu nhất trong cấu trúc. Vết nứt co ngót
ở bên trong sẽ phát triển men theo vùng dính kết giữa đá xi măng và hạt cốt liệu. Các
vết nứt phát triển gặp cốt liệu sẽ chậm phát triển và không xuyên qua hạt cốt liệu.
1.4. Quy định về tính năng của bê tông xi măng làm đƣờng.
1.4.1. Quy định về cốt liệu chế tạo bê tông xi măng.
a. Xi măng.
Theo quyết định QĐ1951[4] thì có thể sử dụng các loại xi măng pooc lăng
thông thƣờng, xi măng pooc lăng hỗn hợp để làm mặt đƣờng bê tông xi măng.
b. Cốt liệu lớn.
Cốt liệu lớn dùng làm mặt đƣờng bê tông xi măng có thể là sỏi cuội, sỏi
cuội nghiền hoặc đá dăm tạo ra bộ khung chịu lực cho bê tông xi măng và có
thành phần hạt theo quy định. Cỡ hạt danh định lớn nhất không nên lớn hơn 19
mm đối với cuội sỏi, không nên lớn hơn 25 mm đối với sỏi cuội nghiền, không
đƣợc lớn hơn 37,5 mm đối với đá dăm.
c. Cốt liệu nhỏ (cát).
Cốt liệu nhỏ (cát) phải nghiền từ đá cứng, sạch hoặc dùng cát sông sạch
hoặc cát trộn từ hai loại đó. Cát có thành phần hợp lý, mô đun độ lớn trong
phạm vi 2,2 - 3,5 [4].
d. Yêu cầu về nƣớc.


11

Nƣớc dùng để chế tạo bê tông xi măng hông lẫn dầu mỡ, các tạp chất hữu
cơ, độ pH ≥ 4; hàm lƣợng muối ≤ 0,005 mg/mm3 và hàm lƣợng ion SO4 ≤ 0,0027
mg/mm3.
1.4.2. Quy định về tính năng của bê tông xi măng làm đƣờng
Theo tài liệu [4] các chỉ tiêu cơ lý của bê tông và độ sụt của hỗn hợp
BTXM đƣợc quy định theo quyết định QĐ1951 của Bộ GTVT: Quy định tạm
thời về kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đƣờng BTXM trong xây dựng công
trình giao thông đƣợc trích dẫn theo Bảng 1.1 dƣới đây.
Bảng 1.1 Các chỉ tiêu cơ lý của bê tông và độ sụt của hỗn hợp BTXM làm
đƣờng
Ván khuôn cố định
Công nghệ ván Công nghệ ván
Công nghê thi
huôn trƣợt(tốc khuôn ray và các
công đơn
công nghệ thi
Các chỉ tiêu cơ lý độ rải từ 0.5 đến
công liên hợp
giản
2.0 m/phút)
khác

Phƣơng
pháp thử

1.Cƣờng đô éo

5,0 với mặt đƣờng BTXM đƣờng cao tốc, cấp I,

uốn thiết kể

cấp II

TCVN3105-

Rtkku ở tuổi mẫu

4,5 với mặt đƣờng BTXM đƣờng ô tô cấp III trở

3199:1993

28 ngày, MPa,
không nhỏ hơn

xuống
0,3 với mặt đƣờng BTXM đƣờng cao tốc, cấp I,

2.Độ mài mòn,
g/cm2, không
lớn hơn

cấp II, cấp III.

TCVN

0.6 với mặt đƣờng BTXM đƣờng ô tô cấp IV trở

3114:1993

xuống

3.Độ sụt, mm

10-20

20-30

20-40

TCVN
3106:1993

Bình luận:
- Tất cả các mẫu thí nghiệm phải đạt yêu cầu nêu ở Bảng 1.1.
- Tuy không có yêu cầu về cƣờng độ nén thiết kế nhƣng trong thi công vẫn
phải chế tạo mẫu nén và thí nghiệm cƣờng độ nén mẫu theo tuổi để phục vụ các


12

yêu cầu về bảo dƣỡng tháo dỡ ván khuôn, cắt khe bê tông.
Cƣờng độ kéo uốn trung bình của bê tông chế thử trong phòng thí nghiệm
khi thiết kế thành phần bê tông ít nhất phải cao hơn cƣờng độ thiết kế yêu cầu
1,15 đến 1,20 lần (Với mặt đƣờng cao tốc, đƣờng cấp I, II phải áp dụng với hệ
số 1,20, còn với mặt đƣờng cấp khác áp dụng hệ số 1,15).
Cƣờng độ trung bình khi chế thử trong phòng là cƣờng độ trung bình ở tuổi
mẫu 28 ngày của 6 mẫu thử tƣơng ứng với thành phần bê tông đƣợc lựa chọn
khi thiết kế.
Tuy không có yêu cầu về cƣờng độ nén thiết kế nhƣng trong thi công vẫn
phải chế bị mẫu nén và thí nghiệm cƣờng độ nén mẫu theo tuổi.
1.5. Khái quát về các 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] phƣơng pháp này sử dụng lý thuyết kết hợp với thực
nghiệm. Lý thuyết cơ bản là lý thuyết về thể tích tuyệt đối. Bê tông đƣợc thiết kế
ở trạng thái hoàn toàn đặc, tổng thể tích của bê tông bao gồm các thể tích đặc
riêng rẽ của các vật liệu thành phần và thể tích không khí. Thực nghiệm bằng
các phép thử về cƣờng độ và độ sụt. Đánh giá thử nghiệm sử dụng lý thuyết xác
suất thống ê trên cơ sở các phân phối chuẩn.
1.5.1.1. Chọn độ sụt và cƣờng độ bê tông cần thiết.
a. Chọn độ sụt.
Độ sụt sử dụng đƣợc quyết định bởi tính chất của bê tông, tính chất của kết
cấu và điều kiện khí hậu đƣợc xác định theo Bảng 1.2 dƣới đây.


13

Bảng 1.2. Độ sụt đề suất cho các loại công trình xây dựng
Độ sụt, mm
Loại công trình xây dựng

Tối đa

Tối thiểu

Tƣờng và chân móng bê tông có cốt thép

75

25

Bệ đỡ, giếng chìm, và các kết cấu tƣờng

75

25

Dầm và tƣờng bê tông cốt thép

100

25

Cột nhà

100

25

Tấm và mặt sàn

75

25

Bê tông khối lớn

75

25

b. Cƣờng độ yêu cầu.

Thành phần bê tông đƣợc xác định trên cơ sở kinh nghiệm ngoài thực tế
hoặc thông qua các mẻ trộn thử trong phòng thí nghiệm. Để đáp ứng các yêu cầu
về cƣờng độ quy định, bê tông phải đƣợc xác định thành phần sao cho các kết
quả cƣờng độ chịu nén trung bình phải lớn hơn cƣờng độ chịu nén tối thiểu thiết
kế quy định (Rb) một giá trị đủ cao để xác suất của giá trị cƣờng độ thấp là nhỏ
nhất.
Xác định cƣờng độ yêu cầu Ryc:
- Trƣờng hợp không có số liệu thống kê hoặc có nhƣng nhỏ hơn 15 mẫu thử:
Ryc = Rb +8 (MPa)

(1.2)

Hoặc Ryc = 1.1 Rb + 4.8 (MPa)

(1.3)

- Trƣờng hợp có số liệu thống kê, đủ số lƣợng mẫu (có từ 30 mẫu thí
nghiệm cƣờng độ chịu nén) thì Ryc tính nhƣ sau:
Tính cƣờng độ trung bình R : R =

 Ri
n

(1.4)

Trong đó: Ri: Cƣờng độ mẫu thứ i
n: số lƣợng mẫu
Độ lệch chuẩn S=

 ( R  Ri ) 2

n 1

Cƣờng độ yêu cầu: Ryc = R  kS

(1.5)
(1.6)


14

Với k = 1,64.
1.5.1.2. Lựa chọn ích thƣớc tối đa của cốt liệu
Về mặt kết cấu ích thƣớc tối đa của cốt liệu lớn hông nên vƣợt quá 1/5
ích thƣớc hẹp nhất giữa các bề mặt của khối lập phƣơng, hoặc 1/3 chiều sâu
của các tấm, cũng nhƣ hông vƣợt quá 3/4 khe hở nhỏ nhất giữa các thanh tăng
cứng, các bó thanh, thanh thép ứng suất trƣớc.
Khi chọn đƣờng kính lớn nhất của cốt liệu (D) càng nhỏ thì tăng độ đồng
nhất của bê tông, năng lƣợng nhào trộn nhỏ nhất và đạt đƣợc cƣờng độ cao hơn
hơn hi dùng cốt liệu có đƣờng kính D lớn hơn.
1.5.1.3. Xác định khối lƣợng nƣớc và hàm lƣợng không khí
Khối lƣợng nƣớc trên một đơn vị thể tích bê tông đƣợc xác định phụ thuộc
và ích thƣớc tối đa Dmax, hình dáng hạt, cấp, loại đá, lƣợng xi măng và phụ gia
giảm nƣớc cần thiết. Nếu phụ gia siêu dẻo (PGSD) đƣợc sử dụng thì hàm lƣợng
trong hỗn hợp trộn này đƣợc dùng để tính toán tỷ lệ N/CKD, N/X.
Độ dẻo gốc của bê tông (nhỏ nhất độ sụt gốc bằng 2,5cm; cao nhất độ sụt
gốc bằng 7,5cm). Khi cần có độ sụt lớn hơn từ 15-20cm cần có những thiết kế
thực nghiệm để xác định hàm lƣợng chất phụ gia siêu dẻo hoặc không cần tăng
lƣợng nƣớc mà phải sử dụng chất siêu dẻo tăng độ sụt. Lƣợng nƣớc và hàm
lƣợng bọt khí đƣợc xác định theo Bảng 1.3 dƣới đây.
Bảng 1.3. Lƣợng nƣớc nhào trộn sơ bộ và hàm lƣợng bọt khí yêu cầu cho độ sụt

và Dmax cốt liệu khác nhau
Lƣợng nƣớc yêu cầu của bê tông với các kích thƣớc Dmax của cốt liệu, Kg/m3
Độ sụt, mm.

9.5

12.5

19.0

25.0

37.5

50

75

150

25 đến 50

207

199

190

179

166

154

130

113

75 đến 100

228

216

205

193

181

169

145

124

150 đến 175

243

228

216

202

190

178

160

-

Lớn hơn 175

-

-

-

-

-

-

-

-

Lƣợng bọt hí đƣợc cuốn
vào bê tông không cuốn
khí, %

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0.3

0.2

Bê tông không cuốn khí