Nghiên cứu sử dụng cốt liệu đá quartzite ở thanh sơn, phú thọ để chế tạo bê tông xi măng mặt đường tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG 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

Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Mã số: 9580205
Chuyên ngành: Xây dựng đƣờng ô tô và đƣờng thành phố

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2019


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:

GS.TS. Phạm Duy Hữu
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường

họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi giờ ngày
tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thƣ viện Quốc gia Việt Nam
- Thƣ viện Trƣờng Đai học Giao thông Vận tải


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 ưu điểm dễ tạo hình, khả năng chịu lực tốt, tuổi thọ cao, lại tận dụng
được nguồn vật liệu địa phương nên cho tới nay trong lĩnh vực xây dựng công
trình, chưa có loại vật liệu nào có ưu thế bằng bê tông. Nhu cầu xây dựng công
trình giao thông là rất lớn (hàng trăm nghìn km quốc lộ), nhưng thực tế sử dụng
mặt đường bê tông xi măng tại Việt Nam còn thiếu về số lượng và chưa đạt yêu cầu
về chất lượng. Trong khi đó, rất nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Đức, Trung
Quốc… áp dụng rất thành công trong xây dựng mặt đường ôtô và sân bay [28]. Đá
quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ là một loại cốt liệu chất lượng cao, trữ lượng khá
lớn, khoảng trên 10 triệu tấn [2]. Việc khai thác tận dụng được vật liệu địa phương
để chế tạo bê tông là cấp thiết để hạn chế sự vận chuyển của các loại cốt liệu làm
tăng giá thành xây dựng.
Mặt khác, các công trình nghiên cứu về bê tông xi măng ở Việt Nam tới nay
cũng chưa 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, tìm hiểu mối quan hệ giữa hệ số
giãn nở nhiệt với ngày tuổi, với các loại cốt liệu khác nhau.
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, cường độ và ứng suất nhiệt của bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite
Thanh Sơn, Phú Thọ đáp ứng được nhu cầu xây dựng công trình giao thông đang
đòi hỏi và cần loại bê tông xi măng làm đường chất lượng, hiệu quả khai thác sử
dụng cao mà tận dụng được vật liệu địa phương. Chính vì vậy “Nghiên cứu sử dụng
cốt liệu đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ để chế tạo bê tông xi măng mặt đường”
là vấn đề cấp thiết hiện nay, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rõ rệt.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án.
Mục tiêu nghiên cứu là để hoàn thiện cơ sở khoa học cũng như thực tiễn sử
dụng cốt liệu từ đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ để chế tạo bê tông xi măng mặt
đường đạt các yêu cầu kỹ thuật trong xây dựng đường ở khu vực Tây Bắc. Nghiên
cứu góp phần vào việc khai thác hợp lý nguồn vật liệu địa phương trong xây dựng.
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 đường. 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 kế và thi công mặt đường. Trong thiết kế kết cấu mặt đường


2
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, khí hậu, lớp móng và đất nền đường 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.
- Phương pháp phân tích tổng hợp để làm rõ mục tiêu nghiên cứu của luận án.
5. Cấu trúc của luận án.
Luận án gồm Mở đầu, 4 Chương, Kết luận, Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp
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, có thể được sử dụng để
chế tạo BTXM mặt đường.
+ Bằng quy hoạch thực nghiệm tác giả tìm ra được phương trình hồi quy mô tả
mối quan hệ giữa các hàm mục tiêu: cường độ chịu n n, cường độ k o uốn với yếu
tố ảnh hưởng là tỷ lệ N, hai phương trình hồi quy là:

y1  19,19 X 2  5,62
y2  X 2  2,77

 2,5  X 2  3,5
 2,5  X 2  3,5

+ Các kết quả thí nghiệm về cường độ chịu n n, cường 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.
+ Thông qua thực nghiệm tác giả xác định được 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 như 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 ).
+ Tính toán tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite và cốt liệu đá vôi
với các kích thước dự kiến là 4m x 3,5m x 0,25m và 4,5m x 3,5m x 0,25m, theo
quyết định QĐ3230[5] của Bộ Giao thông vận tải.
- Khi thiết kế cùng thành phần thì bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đã tăng
đồng thời cường độ và ứng suất nhiệt so với bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi. Trong
đó cường độ chịu k o tăng 1,1% còn ứng suất nhiệt lớn nhất tăng 33,59%.
- Do các yếu tố trên nên mặt đường bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite có
nguy cơ sảy ra nứt trên mặt tấm cao hơn mặt đường bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi,

3
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 thước chiều dài của tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên
chọn nhỏ hơn kích thước chiều dài tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi.
Kích thước 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 được các yêu cầu về cường 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.
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 được
sử dụng với khối lượng lớn và không thể thiếu trong xây dựng hiện đại. Do yêu cầu
cao trong các điều kiện khắc nghiệt nên từ lâu mặt đường bằng bê tông xi măng
không cốt th p đã được sử dụng nhiều ở các nước như Anh, Mỹ, Nga, Đức, Trung
Quốc... Ở Việt Nam đầu tiên được sử dụng là mặt đường Hùng Vương vào năm
1975, sau đó có nhiều dự án Quốc lộ 2, quốc lộ 18, Quốc lộ 1A...
1.2. Khái quát chung về bê tông xi măng
Theo các tài liệu [1], [21], [22] bê tông xi măng là loại vật liệu đá nhân tạo nhận
được sau khi làm rắn chắc hỗn hợp bê tông. Hỗn hợp bê tông có thành phần được
lựa chọn hợp lý gồm xi măng, nước, cốt liệu và phụ gia. Trong bê tông cốt liệu
đóng vai trò là bộ khung chịu lực để tăng cường các đặc tính cơ học cho bê tông,
đồng thời giảm giá thành cho bê tông.
1.3. Cấu trúc của bê tông xi măng.
1.3.1. Sự hình thành cấu trúc của bê tông.
1.3.2. Cấu trúc vĩ mô, cấu trúc vi mô và cấu trúc nano.

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.
1.4.2. Quy định về tính năng của bê tông xi măng làm đƣờng
Các chỉ tiêu cơ lý và độ sụt của hỗn hợp BT M được quy định theo quyết định
QĐ1951[4] của Bộ GTVT.
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] phương 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 được thiết kế ở trạng
thái hoàn toàn đặc, tổng thể tích của bê tông bao gồm các thể tích đặc riêng rẽ của


4
các vật liệu thành phần và thể tích không khí. Thực nghiệm bằng các phép thử về
cường độ và độ sụt. Đánh giá thử nghiệm sử dụng lý thuyết xác suất thống kê trên
cơ sở các phân phối chuẩn.
1.5.2. Thiết ế thành phần BTXM theo phƣơng pháp Bolomey-Skramtaev.
Theo tài liệu [15] ta thiết kế thành phần BT M như sau: Bước 1(Chọn độ sụt,
Bước 2( ác định lượng nước nhào trộn), Bước 3( ác định tỷ lệ X/N), Bước 4 (Xác
định lượng xi măng X), Bước 5( ác định lượng đá Đ), Bước 6 ( ác định lượng cát
C), Bước 7 ( ác định lượng phụ gia siêu dẻo).
1.5.3. Sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm xác định yếu tố ảnh
hƣởng đến cƣờng độ bê tông xi măng làm đƣờng, tính toán tỷ lệ N/X.
Theo tài liệu [30] các chỉ tiêu đầu ra dùng để đánh giá đối tượng thường được
gọi là các hàm mục tiêu. Áp dụng quy hoạch thực nghiệm để tính toán dựa trên kế
hoạch thực nghiệm khoa học để lựa chọn thành phần BT M nhằm thỏa mãn 2 hàm
mục tiêu là: Cường độ chịu n n và cường độ chịu k o uốn của BT M.. Bằng quy
hoạch thực nghiệm tìm ra được phương trình hồi quy mô tả mối quan hệ giữa các
hàm mục tiêu: cường độ chịu n n, cường độ chịu k o uốn với các yếu tố ảnh hưởng
như: Tỷ lệ D C, tỷ lệ /N, từ đó tính toán tỷ lệ N/X.

1.6. Nghiên cứu đặc điểm địa lý, địa hình và đặc điểm địa chất mỏ đá
quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ.
Mỏ quartzite nằm trên địa bàn xã Thục Luyện, huyện Thanh Sơn, tỉnh Phú Thọ [2].

Hình1.1. Hình ảnh về mỏ đá
1.6.1. Đặc điểm địa lý, địa hình.
1.6.2. Đặc điểm địa chất mỏ.
+ Đặc điểm địa chất khoáng sản.
Đá quartzite nằm khớp đều lên đá phiến, k o dài từ Bắc xuống Nam. Chiều dày


5
của tầng này khoảng 150 - 200m, chia tầng đá quartzite này thành 3 vỉa, phân bố từ
dưới lên là vỉa 1, 2, 3.
- Vỉa 1: Nằm khớp đều lên tầng đá phiến thạch anh mica. Quartzite màu trắng
đục phớt vàng .
- Vỉa 2: Nằm khớp lên giải kẹp đá phiến và quartzite phân phiến. Quartzite có
màu xám phớt hồng.
- Vỉa 3: Nằm khớp đều lên giải đá kẹp quartzite phiến và đá phiến, diện phân bố
rộng lớn. Quartzite màu trắng xám phớt vàng.
+ Chất lượng đá quartzite.
Đá quartzite ở đây có hai loại: Quartzite phong hoá và quartzite rắn chắc.
Bảng 1.6. Thành phần hóa học của đá quartzite phong hóa
Loại đá
SiO2(%)
Fe2O3 (%)
Đá quartzite phong hóa
96,90
0,28
Bảng 1.7. Thành phần hoá học và đặc tính cơ lý của đá quartzite ở các vỉa

TT
SiO2
A1203
Tỷ lệ hút nước Nhiệt độ chịu lửa
(%)
(%)
(%)
1.Vỉa 1
97,81
1,00
0,45
> 17300
2.Vỉa 2
97,23
0,77
0,54
> 17300
3.Vỉa 3
96,68
1,11
0,97
> 17300
1.7. Các nghiên cứu về đá quartzite và bê tông xi măng mặt đƣờng sử dụng
đá quartzite.
1.7.1. Các nghiên cứu về đá quartzite và bê tông xi măng mặt đƣờng sử
dụng đá quartzite trên thế giới.
Theo tài liệu [39]: Đá quartzite là đá biến chất từ sa thạch silic với các hạt
thạch anh được kết tinh lại gắn kết với nhau. Đá có màu trắng hoặc do có lẫn tạp
chất nên có màu hồng, tím, xẫm. Đá chịu phong hóa tốt. Đá được dùng cho lớp ốp
ngoài của công trình nhà, dùng làm đá hộc và đá dăm. Đá được dùng làm nguyên

liệu cho sản xuất cấu kiện chịu lửa.
Bê tông xi măng mặt đường sử dụng đá quartzite là loại vật liệu đá nhân tạo
nhận được sau khi làm rắn chắc hỗn hợp bê tông. Hỗn hợp bê tông có thành phần
gồm: xi măng, nước, cốt liệu lớn đá quartzite, cốt liệu nhỏ cát quartzite.
Theo K. Kavitha [51] sự gia tăng trong các hoạt động xây dựng đã dẫn đến sự
gia tăng nhu cầu đối với các nguyên liệu khác nhau được sử dụng trong bê tông,
đặc biệt là cát sông được sử dụng làm cốt liệu mịn. Nghiên cứu này nghiên cứu ảnh
hưởng của đá quartzite thay thế cho cốt liệu mịn trong bê tông loại mác 30 (M30).
Nghiên cứu này đưa ra các kết luận sau: Cát quartzite được sử dụng để thay thế cốt


6
liệu mịn có tỉ trọng khối nhỏ và trọng lượng riêng thấp hơn cát sông, do đó trọng
lượng của bê tông có thể được giảm. Cát quartzite chuyển màu tốt và bề mặt mịn,
điều này không thể quan sát được trong cát tự nhiên. Cát quartzite là vật liệu thay
thế phù hợp hơn với cát sông với chi phí hợp lý. Do đó thay thế 100% cốt liệu mịn
bằng cát quartzite là chấp nhận được trong các công trình xây dựng.
Theo Simma Ravi Kiran [62] bê tông được sử dụng rộng rãi trong xây dựng cơ
sở hạ tầng. Nghiên cứu này đá quartzite được sử dụng làm vật liệu thay thế cho cốt
liệu thô và nghiên cứu các tính chất cơ học và các đặc tính kỹ thuật khác nhau. Các
nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên bê tông xi măng bằng cách thay thế
cốt liệu thô lên đến 100%. Thiết kế hỗn hợp và phương pháp thử được tuân theo
Cục Tiêu chuẩn Ấn Độ. Bê tông làm bằng đá quartzite cho cường độ chịu nén tốt
so với bê tông thông thường.
Theo Mark Adom [53] ở Ghana, đá quartzite là khối đá tạo thành những ngọn
núi, ở địa phương gọi là dãy Akwapim cắt ngang khu vực phía đông và kéo dài vào
khu vực Volta. Khối đá này tạo thành một phần địa chất khu vực được gọi là Sê-ri
Togo. Đá quartzite là loại đá giàu thạch anh. Đá có ánh thủy tinh và màu sắc của nó
có thể thay đổi từ màu trắng sang đen, kem, hồng, đỏ và xám. Việc sử dụng đá
quartzite để thay thế đá granite thô có thể là đúng hướng để bảo tồn tài nguyên

thiên nhiên của cốt liệu thô thông thường bao gồm đá granite và sa thạch.
Theo Abdullahi. M [33] bê tông thường được sản xuất từ các loại cốt liệu khác
nhau. Tính chất quan trọng nhất của bê tông là cường độ chịu n n của nó. Với mục
đích của nghiên này, ba loại cốt liệu thô: đá quartzite, đá granite và sỏi sông đã
được sử dụng. Cốt liệu mịn là cát bình thường. Kết quả thử nghiệm cho thấy bê
tông làm từ sỏi sông có khả năng gia công cao nhất, tiếp theo là từ đá quartzite
nghiền và đá granite nghiền. Cường độ chịu n n cao nhất ở mọi ngày tuổi đạt được
với bê tông làm từ cốt liệu đá quartzite, sau đó là bê tông làm từ cốt liệu sỏi sông và
bê tông làm từ cốt liệu đá granite nghiền.
Theo Muhammad Tufail [55] mặc dù bê tông là vật liệu không cháy, nhưng
nhiệt độ cao có ảnh hưởng đến tính chất cơ học của bê tông. Nghiên cứu này
nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến các tính chất cơ học của bê tông đá vôi,
bê tông đá quartzite và bê tông đá granite. Kết quả chỉ ra rằng bê tông làm từ cốt
liệu granite có tính chất cơ học cao hơn ở mọi nhiệt độ, tiếp theo là bê tông đá
quartzite và bê tông đá vôi.
Theo NIST [56] nghiên cứu này đã mở rộng sự so sánh với các cốt liệu được
lấy từ 11 mỏ đá khác nhau trên khắp nước Mỹ nhưng với sự tập trung chủ yếu ở bờ
biển phía đông, và đặc biệt là trong hành lang MD-VA trong đó có mỏ đá quartzite.
+ Theo tài liệu [52] và [61]: Đá quartzite thuộc nhóm đá biến chất. Thành phần


7
khoáng vật chủ yếu là thạch anh. Đá có màu trắng, hồng nhạt, vàng hoặc xám. Đá
rất cứng, khó bị phong hóa khi lộ ra ngoài không khí. Khi nghiên cứu bê tông
cường độ siêu cao người ta thường sử dụng cát quartzite.
+ Theo G.J.VERBECK and W.E.HASS[46]: Hệ số giãn nở nhiệt của cốt liệu
ảnh hưởng đến giá trị hệ số giãn nở nhiệt của bê tông có chứa cốt liệu đó, hệ số
giãn nở nhiệt của cốt liệu cao hơn sẽ giúp hệ số giãn nở nhiệt của bê tông cao hơn.
Hệ số giãn nở nhiệt thay đổi theo loại đá gốc, phạm vi cho các loại đá phổ biến
khoảng từ 0.9×10-6/0C đến16×10-6/0C (0.5×10-6/0F đến 8.9 ×10-6/0F)

+ Theo R.RHOADES and R.C.MIELENZ [59]: Với mỗi loại đá khác nhau có
hệ số giãn nở nhiệt khác nhau.
+ Theo D. G. R. BONNELL and F. C. HARPER [43]: Giá trị hệ số giãn nở
nhiệt của bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite bảo dưỡng trong môi trường nước
thấp hơn giá trị hệ số giãn nở nhiệt của bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite không
được bảo dưỡng.
1.7.2. Các nghiên cứu về đá quartzite và bê tông xi măng mặt đƣờng sử
dụng đá quartzite ở Việt Nam.
+ Công trình nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học bê tông cường độ siêu cao
và ứng dụng trong kết cấu cầu của NCS Nguyễn Lộc Kha thực hiện [25] chỉ đề cập
tới sử dụng cát quartzite được nghiền từ đá quartzite để chế tạo bê tông cường độ
siêu cao từ 120 đến 140 MPa.
+ Theo công trình nghiên cứu [22] của GS Phạm Duy Hữu và các cộng sự
Trường Đại học GTVT thì đá quartzite thuộc nhóm đá biến chất.
1.8. Kết luận chƣơng 1 và định hƣớng nghiên cứu của luận án.
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỐT LIỆU ĐÁ QUARTZITE Ở
THANH SƠN, PHÚ THỌ VÀ CÁC VẬT LIỆU KHÁC
2.1. Khái quát chung về cốt liệu.
Cốt liệu là một loại vật liệu đá dạng hạt có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo
như cát, sỏi, đá nghiền,... có hình dạng và kích thước khác nhau, được sử dụng
trong sản xuất bê tông xi măng, vữa xây dựng, bê tông atphan, làm nền đường sắt,
đường bộ,...[19], [21], [48]. Để nghiên cứu sử dụng cốt liệu đá quartzite ở mỏ
Thanh Sơn, Phú Thọ như một loại vật liệu chế tạo bê tông xi măng mặt đường tác
giả tiến hành nghiên cứu về hệ thống khai thác và công nghệ chế biến đá quartzite
như phần trình bày dưới đây.
2.2. Hệ thống hai thác đá quartzite.
2.2.1. Cơ sở lựa chọn hệ thống hai thác đá quartzite.
Các căn cứ lựa chọn hệ thống khai thác đá quartzite ở mỏ Thanh Sơn, Phú Thọ
là dựa vào điều kiện thực tế tại mỏ theo [2].

8
2.2.2. Phƣơng án hai thác đá quartzite.

2.3. Công nghệ chế biến đá quartzite.
2.3.1. Cơ sở để lựa chọn công nghệ chế biến đá quartzite:
Mỏ Thanh Sơn, Phú Thọ chọn công nghệ chế biến đá quartzite như sau: Thông
qua khoan nổ mìn đá quartzite nguyên liệu được xúc bốc trực tiếp lên ôtô vận
chuyển về trạm đập phía Đông Bắc, nghiền sàng thành các sản phẩm cát, đá.
2.3.2. Sơ đồ công nghệ lựa chọn và các chỉ tiêu đi èm.
Sơ đồ công nghệ chế biến đá quartzite như Hình 2.3. Sau khi chế biến cho ta các
sản phẩm đá quartzite và cát quartzite như Hình 2.4 dưới đây.

Hình 2.4. Sản phẩm đá quartzite và cát quartzite

2.4. Phân tích thành phần hóa học của đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ.
Sau khi nghiên cứu đặc điểm địa chất mỏ đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ tác
giả tiến hành phân tích thành phần hóa học của đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ.
Bảng 2.1. Bảng kết quả phân tích toàn phần thành phần hóa học
STT
Tên chỉ tiêu khoáng hóa
Kết quả
Đơn vị
1
SiO2
96,95
%
2
Fe2O3
0,32

%
3
Al2O3
1,80
%
4
CaO
0,00
%
5
MgO
0,00
%
6
SO3
0,00
%
7
K2O
0,21
%


9
8
Na2O
0,05
%
9
P2O5

0,00
%
10
TiO2
0,00
%
Nhận x t: Kết quả phân tích toàn phần thành phần hóa học cho thấy ngoài 4 chất
SiO2, A12O3, Fe2O3, K2O trong đá quartzite là đáng lưu ý, các hợp chất khác có rất ít.
2.5. Vật liệu chế tạo mặt đƣờng BTXM sử dụng đá quartzite.
2.5.1. Xi măng.
2.5.2. Cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ.
2.5.2.1. Lựa chọn và lấy mẫu thí nghiệm.
Để có đủ cơ sở khoa học cho việc đánh giá khả năng tận dụng đá quartzite tại
mỏ Thanh Sơn, Phú Thọ làm vật liệu trong xây dựng đường ô tô thì phải điều tra,
phân tích, lập kế hoạch lấy mẫu. Sau khi khảo sát thực tế ở hiện trường nhóm
nghiên cứu đã tiến hành lựa chọn mẫu gồm cốt liệu lớn là đá quartzite 5x10 và
10x20, cốt liệu nhỏ là cát quartzite được nghiền ra từ đá quartzite. Các mẫu lấy tại
hiện trường đã được đưa về phòng thí nghiệm công trình Giao thông trường Đại
học Công nghệ GTVT để phục vụ cho những thí nghiệm và nghiên cứu tiếp theo.
Tác giả tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của đá quartzite để phân tích và đề
xuất khả năng sử dụng đá trong xây dựng đường ô tô.
2.5.2.2. Cốt liệu lớn.
Cốt liệu lớn là đá quartzite 5x20, lấy mẫu cốt liệu theo TCVN 7572-1:2006.

Lƣọng sót tích luỹ%

Hình 2.6. Thí nghiệm xác định thành phần hạt của cốt liệu
0
10
20

30
40
50
60
70
80
90
100

Thành phần hạt tính
toán
Thành phần hạt tiêu
chuẩn
Thành phần hạt tiêu
chuẩn

5

10

Cỡ sàng, mm

20

Hình 2.7. Thành phần hạt của đá quartzite 5x20


10

Lƣọng sót tích luỹ%

Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của đá quartzite được tổng hợp theo
Bảng 2.13 dưới đây. Kết quả thí nghiệm cho thấy đáp ứng theo yêu cầu (Mức) của
quyết định QĐ1951[4].
Bảng 2.13. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của đá quartzite.
Kết
Đánh
STT
Chỉ tiêu
Đơn vị Mức
Phương pháp thử
quả
giá
1
Khối lượng thể tích Kg/m3 ≥ 1350 TCVN7572-6:2006
1520
Đạt
2
Khối lượng riêng
Kg/m3 ≥ 2500 TCVN7572-4:2006
2633
Đạt
3
Độ hút nước
%
≤ 2,5
TCVN7572-4:2006
0,5
Đạt
4

Hàm lượng hạt thoi
%
≤ 15
TCVN7572-12:2006 4,05
Đạt
dẹt
5
Độ mài mòn L.A
%
≤ 30
TCVN7572-12:2006
12
Đạt
6
Mác của đá gốc
MPa
≥ 80
TCVN7572-11:2006
100
Đạt
7
Hàm lượng hạt mềm
%
≤ 1,0 TCVN7572-17:2006 0,03
Đạt
yếu, phong hóa
8
Hàm lượng bụi,
%
≤ 0,3

TCVN7572-8:2006
0,21
Đạt
bùn,s t
9
Độ n n dập trong xi
lanh ở trạng thái bão
%
16-20 TCVN7572-11:2006 17,58
Đạt
hòa nước
10
Hệ số hóa mềm
TCVN7572-11:2006 0,78
Đạt
11
Thành phần hạt
Biểu
TCVN7572-2:2006
Đạt
đồ
2.5.2.3. Cốt liệu nhỏ.
Cốt liệu nhỏ được sử dụng trong luận án là cát quartzite. Kết quả xác định thành
phần hạt cát quartzite theo TCVN 7572-2:2006. Biểu đồ thành phần hạt của cát
quartzite như ở Hình 2.10 dưới đây.
0
10
20
30
40

50
60
70
80
90
100

Thành phần hạt tính
toán
Thành phần hạt tiêu
chuẩn
0.14

0.315

0.63

Cỡ sàng, mm

1.25

2.5

Thành phần hạt tiêu
chuẩn

Hình 2.10. Thành phần hạt của cát quartzite
Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cát quartzite được tổng hợp theo Bảng
2.18. Kết quả thí nghiệm cho thấy đáp ứng theo yêu cầu (Mức) của quyết định
QĐ1951[4].

11
Bảng 2.18. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cát quartzite.

TCVN7572-6:2006

Kết
quả
1590

Đánh
giá
Đạt

≥ 2500

TCVN7572-4:2006

2650

Đạt

≤ 2,5
≥ 80
≤ 2,0

TCVN7572-4:2006
TCVN7572-11:2006
TCVN7572-8:2006

1,19
100
1,84

Đạt
Đạt
Đạt

STT

Chỉ tiêu

Đơn vị

Mức

Phương pháp thử

1

Khối lượng thể
tích
Khối lượng
riêng
Độ hút nước
Mác của đá gốc
Hàm lượng
bụi, bùn, s t
Mô đun độ lớn

Thành phần hạt

Kg/m3

≥ 1350

Kg/m3
%
MPa
%

2
3
4
5

2,94
Đạt
Biểu
Đạt
đồ
Nhận x t: Kết quả khảo sát và thí nghiệm đá tại mỏ đã chỉ ra rằng hoàn
toàn có thể sử dụng nguồn vật liệu này để chế tạo bê tông xi măng mặt đường.
2.5.2.4. Nƣớc dùng để chế tạo bê tông xi măng .
Nước để chế tạo bê tông phải có đủ phẩm chất phù hợp với TCVN 4506:2012 [14].
2.6. Vật liệu chế tạo BTXM sử dụng đá vôi.
Để làm cơ sở nghiên cứu, đối chứng với BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite
tác giả nghiên cứu thực nghiệm với BTXM sử dụng cốt liệu đá vôi và cát Sông Lô.
Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của từng loại vật liệu như sau.
2.6.1. Cốt liệu lớn là đá vôi 5x20 mỏ Minh Quang, Vĩnh Phúc (dùng để đối

chứng).
Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật được tổng hợp theo Bảng 2.20 trong
luận án. Kết quả thí nghiệm cho thấy đáp ứng theo yêu cầu (Mức) của quyết định
QĐ1951[4].
2.6.2. Cốt liệu nhỏ là cát Sông Lô, Việt Trì Phú Thọ.
Cốt liệu nhỏ được sử dụng trong luận án là cát Sông Lô. Kết quả thí nghiệm các
chỉ tiêu cơ lý của cát Sông Lô được tổng hợp theo Bảng 2.22 trong luận án. Kết quả
thí nghiệm cho thấy đáp ứng theo yêu cầu (Mức) của quyết định QĐ1951[4].
2.7. Kết luận chƣơng 2.
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
6
7

-

2,2-3,5
-

TCVN7572-2:2006
TCVN7572-2:2006


12
3.1. Thiết kế thành phần bê tông xi măng làm mặt đƣờng ô tô sử dụng cốt
liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ.
3.1.1. Sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm xác định yếu tố ảnh
hƣởng đến cƣờng độ bê tông xi măng làm đƣờng, tính toán tỷ lệ N/X.

3.1.1.1. Chọn thông số nghiên cứu.
a. Lựa chọn hàm mục tiêu:
Theo tài liệu [30], [31] các chỉ tiêu đầu ra dùng để đánh giá đối tượng thường
được gọi là các hàm mục tiêu. Áp dụng quy hoạch thực nghiệm để tính toán dựa
trên kế hoạch thực nghiệm khoa học để lựa chọn thành phần BT M nhằm thỏa
mãn 2 hàm mục tiêu là cường độ chịu n n của BT M:
y1 = f ( x1, x2, x1x2 ) với x1, x2, x1x2 là các biến số và cường độ k o uốn của
BTXM: y2 = f ( x1, x2, x1x2 ) với x1, x2, x1x2 là các biến số.
b. Lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng:
Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ chịu n n và cường độ k o uốn của BT M
bao gồm nhiều yếu tố như: Chất lượng cốt liệu, cường độ xi măng, tỷ lệ D C và tỷ
lệ N. Do chỉ sử dụng một loại xi măng và chỉ x t cốt liệu là đá quartzite nên
cường độ của xi măng là không đổi. Như vậy ảnh hưởng rõ rệt nhất đến 2 hàm mục
tiêu trên gồm 2 yếu tố:
X1: Tỷ lệ đá trên cát (ký hiệu là D C)
X2: Tỷ lệ xi măng trên nước (ký hiệu là N)
Kế hoạch thực nghiệm bao gồm các điểm thí nghiệm, còn gọi là điểm của kế
hoạch. Các giá trị cụ thể của các yếu tố vào được ấn định tại các điểm kế hoạch, gọi
là các mức yếu tố, có mức trên, mức dưới, mức cơ sở. Mức cơ sở X0j của các yếu tố
là điều kiện thí nghiệm mà người nghiên cứu quan tâm đặc biệt. Cùng với mức yếu
tố vào ta còn phải xác định khoảng (bước) thay đổi yếu tố vào Δ j, Dựa vào cấp
phối BT M của một số nước và khảo sát được của một số công trình tại Việt Nam,
luận án chọn giá trị biến thiên của 2 yếu tố ảnh hưởng 1 (1,4 ≤ 1 ≤2,0); X2 (2,5 ≤
X2 ≤3,5) với X10 = 1,7; X20 = 3,0; Δ 1= 0,3; Δ 2= 0,5.
Bảng 3.1. Giá trị và khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng
Giá trị
X1
X2
Khoảng biến thiên
1,4 ≤ 1 ≤2,0

2,5 ≤ 2 ≤3,5
X0j
1,7
3,0
Δ j
0,3
0,5
Để thuận tiện cho việc tính các hệ số thực nghiệm của mô hình toán hồi quy và tiến
hành các bước xử lý số liệu khác, ta chuyển sang giá trị mã hóa không thứ nguyên, với
giá trị cận trên và cận dưới là +1 và -1, giá trị trung bình: x0j = 0 (gốc tọa độ).
Vì không có thông tin tiên nghiệm nên phải xuất phát từ mô tả tuyến tính. Các
kết quả thực nghiệm theo kế hoạch bậc một hai mức tối ưu của Box-Wilson còn


13
được gọi là kế hoạch toàn phần hay kế hoạch 2 k. Số tổ hợp có thể của 2 yếu tố với
hai mức là N = 2k = 22 = 4. Phương trình hồi quy tuyến tính mô tả có dạng:
y = b0 + b1x1+ b2x2 + b12x1x2 (3.1)
3.1.1.2. Bảng kế hoạch thực nghiệm tương quan giữa mã thực và biến mã hóa.
Bảng 3.2. Bảng kế hoạch thực nghiệm tương quan giữa mã thực và biến mã hóa
PA thí
Biến thực
Biến mã hóa
y1
y2
nghiệm
(MPa)
(MPa)
X1
X2

x0
x1
x2
x1x2
1
1,4
2,5
+
+
y11
y12
2
2,0
2,5
+
+
y21
y22
3
1,4
3,5
+
+
y31
y32
4
2,0
3,5
+
+

+
+
y41
y42
Với y1 và y2 là cường độ chịu n n và cường độ kéo uốn của bê tông, b là các tham
số của mô tả được xác định theo công thức (3.2) trong luận án.
Để kiểm tra tính có nghĩa của các tham số, chúng ta cần làm các thí nghiệm lặp
tại tâm kế hoạch, như Bảng 3.3 dưới đây:
Bảng 3.3. Kế hoạch thực nghiệm tại tâm
PA thí
Biến thực
Biến mã hóa
y1
y2
nghiệm
(MPa)
(MPa)
X1
X2
x01
x02
1

1,7

3,0

0

0

y110

y120

2

1,7

3,0

0

0

0
y21

0
y22

Để xác định các giá trị y1 ( cường độ chịu n n) và y2 ( cường độ k o uốn) để
tính theo quy hoạch thực nghiệm ta phải thiết kế thành phần bê tông xi măng và
làm các thí nghiệm xác định cường độ chịu n n, cường độ k o uốn của bê tông xi
măng như phần dưới đây.
3.1.1.3. Thiết ế thành phần bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite
Thanh Sơn, Phú Thọ.
Ta thiết kế thành phần bê tông xi măng cho 6 hỗn hợp:
+ Hỗn hợp 1 có các số liệu sau: Bê tông cấp 40, xi măng chinfon PCB40, cốt
liệu lớn: đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, cốt liệu nhỏ: cát quartzite Thanh Sơn,

Phú Thọ, độ sụt gốc 4cm, các tỷ lệ D/C=1,4; X/N=2,5. Ta có thành phần vật liệu
cho hỗn hợp 1 như sau: N = 185 (lít), X = 463 (kg), C = 711(kg), D = 996(kg).
+ Hỗn hợp 2 có các số liệu sau: Bê tông cấp 40, xi măng chinfon PCB40, cốt
liệu lớn: đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, cốt liệu nhỏ: cát quartzite Thanh Sơn,
Phú Thọ, độ sụt gốc 4cm, các tỷ lệ D/C=2,0; X/N=2,5. Ta có thành phần vật liệu
cho hỗn hợp 2 như sau: N = 185 (lít), X = 463 (kg), C = 569(kg), D = 1138(kg).
+ Hỗn hợp 3 có các số liệu sau: Bê tông cấp 40, xi măng chinfon PCB40, cốt
liệu lớn: đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, cốt liệu nhỏ: cát quartzite Thanh Sơn,


14
Phú Thọ, độ sụt gốc 4cm, các tỷ lệ D/C=1,4; X/N=3,5. Ta có thành phần vật liệu
cho hỗn hợp 3 như sau: N = 150 (lít), X = 525 (kg), C = 700(kg), D = 980(kg).
+ Hỗn hợp 4 có các số liệu sau: Bê tông cấp 40, xi măng chinfon PCB40, cốt
liệu lớn: đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, cốt liệu nhỏ: cát quartzite Thanh Sơn,
Phú Thọ, độ sụt gốc 4cm, các tỷ lệ D/C=2,0; X/N=3,5. Ta có thành phần vật liệu
cho hỗn hợp 4 như sau: N = 150 (lít), X = 525 (kg), C = 560(kg), D = 1120(kg).
+ Hỗn hợp 5 có các số liệu sau: Bê tông cấp 40, xi măng chinfon PCB40, cốt
liệu lớn: đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, cốt liệu nhỏ: cát quartzite Thanh Sơn,
Phú Thọ, độ sụt gốc 4cm, các tỷ lệ D/C=1,7; X/N=3,0. Ta có thành phần vật liệu
cho hỗn hợp 5 như sau: N = 165 (lít), X = 495 (kg), C = 628(kg), D = 1067(kg).
+ Hỗn hợp 6 có các số liệu giống hỗn hợp 5 nên có thành phần vật liệu giống
hỗn hợp 5 tức là: N = 165 (lít), X = 495 (kg), C = 628(kg), D = 1067(kg)
Hỗn hợp 6 sẽ là hỗn hợp mà tác giả chọn ngẫu nhiên để thiết kế thành phần bê
tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi sau này. Việc chọn cùng thiết kế thành phần
giữa bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite và bê tông xi măng sử dụng cốt
liệu đá vôi với mục đích là dễ so sánh đối chứng, đánh giá. Các thí nghiệm về
cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn, mô đun đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt đều
theo thiết kế thành phần của hỗn hợp 6.
Nhận x t: Bằng quy hoạch thực nghiệm ta tìm được thành phần cấp phối bê

tông cấp 40 như số liệu ở trên.
3.1.1.4. Thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý của bê tông xi măng làm
đƣờng sử dụng cốt liệu đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ theo quy hoạch
thực nghiệm.
+ Độ sụt dùng để đánh giá khả năng dễ chảy của hỗn hợp bê tông dưới tác dụng
của trọng lượng bản thân hoặc rung động. Độ sụt được xác theo TCVN 3106-93 [7]
Kết quả thí nghiệm độ sụt theo Phụ lục 6 và được tổng hợp theo Bảng 3.9 dưới đây.
Bảng 3.9. Kết quả độ sụt theo quy hoạch thực nghiệm
Thứ tự
Độ sụt trung bình (cm)
Hỗn hợp 1
3,2
Hỗn hợp 2
3,1
Hỗn hợp 3
3,6
Hỗn hợp 4
3,7
Hỗn hợp 5, 6
3,4
+ Việc đúc mẫu, bảo dưỡng và chọn kích thước viên mẫu thử được tiến hành
theo TCVN 3105-93 [6]. Hình ảnh về công tác đúc mẫu, bảo dưỡng như dưới đây.


15

Hình 3.2. Công tác đúc mẫu
Hình 3.3. Công tác bảo dưỡng và vớt mẫu
+ Thí nghiệm xác định cường độ chịu n n và cường độ k o uốn.
Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, kéo uốn của bê tông xi măng được tác

giả thực hiện theo TCVN 3118-93 [8] và TCVN 3119-93 [9]. Hình ảnh về công tác
thí nghiệm cường độ chịu nén, kéo uốn của bê tông xi măng như dưới đây.

Hình 3.4. Thí nghiệm n n mẫu
Hình 3.5. Thí nghiệm k o uốn mẫu
Kết quả thí nghiệm cường độ chịu n n được tổng hợp như Bảng 3.10 dưới đây.
Bảng 3.10. Kết quả cường độ chịu nén của bê tông
STT
Hỗn hợp bê tông
Cường độ chịu n n trung bình (MPa)
1
Hỗn hợp 1
41.14
2
Hỗn hợp 2
43.58
3
Hỗn hợp 3
60.60
4
Hỗn hợp 4
62.50
5
Hỗn hợp 5
52.70
6
Hỗn hợp 6
50.80
Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn được tổng hợp như Bảng 3.11dưới đây.
Bảng 3.11. Kết quả cường độ kéo uốn của bê tông

STT
Hỗn hợp bê tông
Cường độ k o uốn trung bình (MPa)
1
Hỗn hợp 1
5.26
2
Hỗn hợp 2
5.28
3
Hỗn hợp 3
6.23
4
Hỗn hợp 4
6.32
5
Hỗn hợp 5
5.81
6
Hỗn hợp 6
5.7
Nhận x t: Với các kết quả thí nghiệm, kết quả đánh giá theo quyết định
QĐ1951[4] chứng tỏ bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đạt yêu cầu về cường độ
k o uốn.


16
+ Thí nghiệm mô đun đàn hồi: Thí nghiệm mô đun đàn hồi được thực hiện theo
TCVN 5276-93 [10]. Để có số liệu phục vụ cho việc tính toán ở chương sau tác giả
thí nghiệm mô đun đàn hồi cho bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite có

thiết kế thành phần giống hỗn hợp 6 với =495kg, Đ=1067kg, N=165lít, C=628
kg. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi được tổng hợp theo Bảng 3.12.
Bảng 3.12. Mô đun đàn hồi bê tông đá quartzite
Mẫu
ε0
σ0 (MPa)
ε1
σ1 (MPa) Mô đun đàn hồi E (MPa)
Mẫu 1 10.7 x10-6
0.05
446 x10-6
16.00
36641.4
Mẫu 2 3.8 x10-6
0.05
479 x10-6
16.00
33564.81
Mẫu 3 8.9 x10-6
0.05
437 x10-6
16.00
37257.65
ETB:
35821.29
3.1.1.5. Quá trình tính theo quy hoạch thực nghiệm.
Quá trình tính theo quy hoạch thực nghiệm được mô tả chi tiết như trong luận
án. Bằng quy hoạch thực nghiệm tác giả tìm ra được phương trình hồi quy mô tả
mối quan hệ giữa các hàm mục tiêu: cường độ chịu n n y1, cường độ k o uốn y2
với yếu tố ảnh hưởng là tỷ lệ N, hai phương trình hồi quy là:

y1  19,19 X 2  5,62

 2,5  X 2  3,5

y2  X 2  2,77

 2,5  X 2  3,5

Công thức biểu thị quan hệ giữa Rn và tỷ lệ
X
Rn  19,19  5, 62
N
Công thức này được dùng để tính N

N như sau:

trong thiết kế thành phần bê tông đá

quartzite ở phần sau.
3.1.2. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, cường độ kéo uốn, mô đun đàn
hồi của bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi mỏ Minh Quang, Vĩnh Phúc.
Nhằm phục vụ việc so sánh giữa bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite
và bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi, giúp cho việc tính toán và phân tích ở
chương sau tác giả sử dụng thiết kế thành phần bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá
vôi giống thiết kế thành phần hỗn hợp 6 của bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá
quartzite với = 495 kg, Đ = 1067kg, N = 165 lít, C = 628 kg. Kết quả thí nghiệm
cường độ chịu n n, cường độ kéo uốn của bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi
theo Phụ lục 9, kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi theo Phụ lục 8 của luận án.
Nhận xét: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu n n, cường độ kéo uốn, mô đun đàn
hồi của bê tông xi măng cho thấy chất lượng bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá

quartzite tốt và đạt yêu cầu tương đương với bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi, có
thể sử dụng tốt bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite trong xây dựng đường.
3.1.3. Thiết ế thành phần bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite


17
Thanh Sơn-Phú Thọ theo phƣơng pháp ACI 211.1.91 [34].
3.1.3.1. Thiết ế thành phần bê tông xi măng.
Tác giả thiết kế thành phần bê tông cấp 40 với các số liệu sau: Cốt liệu lớn là đá
quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ có Dmax = 20mm ( đá 5x20mm ), cốt liệu nhỏ là cát
quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ, xi măng chinfon PCB40. Tỉ lệ N/X=0,358 được xác
định theo phương trình hồi quy từ quy hoạch thực nghiệm (công thức 3.10). Ta có
thành phần vật liệu hỗn hợp bê tông như sau : N=165(lít), X=461(kg), C= 618(kg);
D=1111(kg).
3.1.3.2. Thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý của bê tông.
Đo kiểm tra độ sụt bê tông trước khi đúc mẫu bảo dưỡng và thí nghiệm, kết quả
độ sụt trung bình bằng 3,6 cm (số liệu trong Bảng 3.19 của luận án).
+ Cường độ chịu n n.: Kết quả cường độ chịu n n của bê tông xi măng theo
Bảng 3.20 trong luận án. Sau khi có kết quả thí nghiệm tác giả tiến hành đánh giá
kết quả thí nghiệm: Cường độ trung bình là X  49,87 MPa, độ lệch chuẩn S =
4,876 MPa, Hệ số phân tán: CV  S / X  0, 098 , Rđt = Xo = X - 1,64.S=41,9 40
đạt yêu cầu.
+ Cường độ k o uốn: Ta có số liệu cường độ k o uốn của bê tông theo Bảng 3.22
trong luận án. Việc đánh giá chất lượng bê tông theo quyết định QĐ1951[4] cho
thấy bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đạt yêu cầu về cường độ k o uốn.
+ Xác định hệ số K trong công thức quan hệ giữa cường độ chịu n n và cường
độ k o uốn của bê tông: Quan hệ giữa cường độ chịu n n và cường độ k o uốn của
bê tông được biểu thị bằng công thức (3.13)[19]. Kết quả thí nghiệm và tính toán
cho thấy hệ số K trong quan hệ giữa cường độ chịu n n và cường độ k o uốn theo
thí nghiệm lớn hơn hệ số K theo quy định tức là: Ktn > Kqd = 0,7. Như vậy trong

thực tế vẫn dùng được hệ số K = 0,7 vẫn đảm bảo an toàn.
3.1.4. Kết luận chƣơng 3.
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
4.1. Tính ứng xử nhiệt của tấm bê tông xi măng mặt đƣờng .
4.1.1. Tổng quan về hiệu ứng nhiệt (tác động của nhiệt độ).
4.1.2. Cơ sở mô tả nhiệt độ.
4.1.3. Điều kiện biên.
4.1.4. Mô hình trao đổi nhiệt và các số liệu đầu vào.
4.2. Tính toán hệ số giãn nở nhiệt.
Một trong những ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình hình thành cường độ
của bê tông trong kết cấu được đặc trưng bởi hệ số giãn nở nhiệt (CTE).
4.2.1. Hệ số giãn nở nhiệt của hồ xi măng.


18
Hệ số giãn nở nhiệt của hồ xi măng nằm trong khoảng từ 18 đến 20µ/°C.
4.2.2. Hệ số giãn nở nhiệt của cốt liệu.
Thông thường, hệ số giãn nở nhiệt của cốt liệu sẽ không lớn như hệ số giãn nở
nhiệt khi hình thành cường độ của xi măng Pooc lăng [54]. Hệ số giãn nở nhiệt phụ
thuộc vào thành phần hóa học và thành phần khoáng vật của cốt liệu [44]. Hệ số
giãn nở nhiệt của đá vôi khoảng từ 4-8µε °C trong khi của sỏi từ 7-12µε/°C [47].
4.2.3. Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông.
Nghiên cứu trước đã chỉ ra rằng hệ số giãn nở nhiệt của bê tông khi hình thành
cường độ phụ thuộc vào thể tích của cốt liệu lớn và hồ xi măng [43]. Bằng cách sử
dụng loại xi măng, loại cốt liệu, thiết kế thành phần một công thức quan hệ giữa hệ
số giãn nở nhiệt là hàm của độ tuổi của bê tông được thành lập (4.12).
Ta cũng có thể tham khảo các giá trị hệ số giãn nở nhiệt của bê tông theo Hak
Chul Shin [49] hoặc có thể tham khảo các giá trị đó theo QĐ3230[5] của bộ GTVT.

4.2.4. Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng theo tài liệu[58].
Tỷ lệ X/C có ảnh hưởng đến hệ số giãn nở nhiệt của bê tông.

Hình 4.4. Quan hệ giữa CTE của cốt liệu và CTE của bê tông [58].
Nhận xét: Từ hình 4.4 cho thấy hệ số giãn nở nhiệt của bê tông đá vôi không
được bảo dưỡng và bê tông đá vôi bảo dưỡng trong môi trường nước là tương
đương, giá trị khoảng 7,2(10-6/0C). Giá trị hệ số giãn nở nhiệt của bê tông đá
quartzite bảo dưỡng trong môi trường nước khoảng 12,3(10-6/0C) và giá trị hệ số
giãn nở nhiệt của bê tông đá quartzite không được bảo dưỡng khoảng 12,8(10-6/0C).
Giá trị này tăng khoảng 4% so với phương pháp bảo dưỡng trong môi trường nước.
4.3. Ứng suất mặt đƣờng bê tông xi măng.
4.3.1. Ứng suất trong mặt đƣờng bê tông xi măng ở giai đoạn tuổi sớm.
4.3.2. Ứng suất trong tấm bê tông theo tiêu chuẩn hiện hành.
4.4. Công thức tính hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi măng theo AASHTO
TP 60 (2006) [32].
Công thức tính hệ số giãn nở nhiệt như sau:
(4.19)


19
Trong đó: ∆La = Chiều dài thay đổi thực của mẫu thử trong quá trình thay đổi
nhiệt độ, mm; Lo= Chiều dài mẫu thử ở nhiệt độ phòng, mm; ∆T= độ biến thiên
nhiệt độ.
Kết quả thí nghiệm được lấy bằng giá trị trung bình của 2 hệ số giãn nở nhiệt
CTE1  CTE2
thu được từ 2 phân đoạn thí nghiệm: CTE 
2
4.5. Thí nghiệm xác định biến dạng và hệ số giãn nở nhiệt của bê tông xi
măng theo AASHTO TP 60 ( 2006 ).
Hiện nay trên thế giới đang sử dụng phương pháp xác định hệ số giãn nở nhiệt

của bê tông xi măng theo AASHTO T336-15. Do tại Việt Nam chưa có mẫu vật
chuẩn để định chuẩn hệ số giãn nở nhiệt nên NCS vẫn sử dụng AASHTO TP 60
(2006). Việc thí nghiệm theo AASHTO TP 60 (2006) vẫn tuân thủ theo quy định
của AASHTO T336-15, vì vậy vẫn được khuyến nghị sử dụng dùng AASHTO TP
60 (2006) theo tài liệu [32].
4.5.1. Thiết bị thí nghiệm.
Việc tạo mẫu và thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trường
Đại học Công nghệ GTVT với các thiết bị như sau: Máy đo SDA–830B (hãng
TML–Nhật Bản ) khi sử dụng đầu đo LVDT, bể ổn định nhiệt, cân điện tử, nhiệt
kế, khuôn trụ đường kính 100 mm, chiều cao 200 mm, thước kẹp điện tử, bộ định
vị đầu đo.
4.5.2. Giới thiệu về máy đo biến dạng.

Hình 4.8. Máy đo biến dạng SDA - 830B
4.5.3. Chuẩn bị mẫu thử.
Để tiện cho việc so sánh đối chứng giữa các loại cốt liệu nên tác giả sử dụng bê
tông xi măng cốt liệu đá quartzite và bê tông xi măng cốt liệu đá vôi có cùng thiết
kế thành phần bê tông = 495 kg, Đ = 1067kg, N = 165 lít, C = 628 kg, mẫu đo
theo ngày tuổi, mẫu hình trụ đường kính 100 mm, chiều cao 200 mm.
4.5.4. Trình tự thí nghiệm.
Trình tự thí nghiệm được mô tả chi tiết trong luận án.

Hình4.12.Mẫu thí nghiệm Hình4.13.Đo chiều dài mẫu Hình4.14.Mẫu được ủ lạnh


20

Hình 4.18. Vận hành thiết bị đo
Hình 4.19. Máy tính hiển thị số liệu
4.6. Kết quả thí nghiệm:

Quá trình thí nghiệm cho ta kết quả như các bảng trong Phụ lục 10. Từ kết quả
thí nghiệm cho thấy bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite theo 3, 7, 14, 28 ngày tuổi
có hệ số giãn nở nhiệt 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 ).
4.7. Phân tích kết quả thí nghiệm.

CTE (10-6/OC)

CTE phụ thuộc vào độ tuổi
12
10
8
6
4
2
0

3 ngày
7 ngày
14 ngày
28 ngày
Đá quartzite

Đá vôi

Hình 4.20. Biểu đồ quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và độ tuổi của bê tông
Nhận xét: Dựa vào kết quả thí nghiệm và biểu đồ Hình 4.20 ta thấy hệ số giãn
nở nhiệt của bê tông đá quartzite và bê tông đá vôi không phụ thuộc vào số ngày
tuổi của bê tông.

CTE phụ thuộc vào loại cốt liệu

12.00
CTE (10-6/0C)

10.00
8.00
Đá quartzite

6.00
4.00

Đá vôi

2.00
0.00
3 ngày

7 ngày

14 ngày

28 ngày

Hình 4.21. Biểu đồ quan hệ giữa hệ số giãn nở nhiệt và loại cốt liệu của bê tông


21
Nhận xét: Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông phụ thuộc vào loại cốt liệu, bê tông
sử dụng cốt liệu đá quartzite có hệ số giãn nở nhiệt cao hơn bê tông sử dụng cốt

liệu đá vôi.
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.
Trong luận án tác giả tính toán tấm bê tông xi măng theo quyết định QĐ3230[5].
Trong phần tính toán tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi và tấm bê tông xi
măng sử dụng cốt liệu đá quartzite tác giả có sử dụng kết quả thí nghiệm hệ số giãn
nở nhiệt CTE của BT M đá vôi và BT M đá quartzite đo được ở 28 ngày tuổi để
tính ứng suất k o uốn lớn nhất do gradien nhiệt gây ra [σtmax] (MPa) với lưu ý là hệ
số giãn nở nhiệt αc trong QĐ3230[5] chính bằng hệ số giãn nở nhiệt CTE trong thí
nghiệm ở Mục 4.6 trong luận án.
4.8.1. Tính toán thiết kế tấm BTXM mặt đƣờng.
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.
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.
4.9. Phân tích kết quả.
4.9.1. Phân tích ảnh hưởng của cốt liệu đến sự phát triển cường độ của bê tông.
+ Nhận x t: Cường độ chịu k o của bê tông đá vôi chỉ bằng 98,9% bê tông đá
quartzite.
4.9.2. Phân tích ảnh hƣởng của cốt liệu đến sự phát triển ứng suất nhiệt.
+ Nhận x t: Kích thước tấm 4m x 3,5m x 0,25m thì ứng suất nhiệt trong bê tông đá
vôi chỉ đạt 66,41% so với bê tông đá quartzite, kích thước tấm 4,5m x 3,5m x 0,25m thì
ứng suất nhiệt trong bê tông đá vôi chỉ đạt 66,23% so với bê tông đá quartzite.
4.9.3. Phân tích ảnh hƣởng của ích thƣớc tấm đến khả năng háng nứt
của mặt đƣờng bê tông xi măng .
Nhận x t: Với mặt đường bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite thì tỷ số
[σp,t max] / Rku % bằng 16,46%; với mặt đường bê tông xi măng sử dụng cốt liệu
đá vôi thì tỷ số [σp,t max] / Rku % bằng 11,05%. Khi thiết kế cùng thành phần thì bê
tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đã tăng đồng thời cường độ và ứng suất nhiệt so
với bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi. Trong đó cường độ chịu k o tăng 1,1% còn ứng

suất nhiệt lớn nhất tăng 33,59%. Do các yếu tố trên nên mặt đường bê tông sử dụng
cốt liệu đá quartzite có nguy cơ sảy ra nứt trên mặt tấm cao hơn mặt đường 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 thước chiều dài
của tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên chọn nhỏ hơn kích thước


22
chiều dài tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi. Kích thước chiều dài của tấm
bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite nên chọn bằng 3,8m.
4.9.4. Kết luận.
4.10. Phân tích hiệu quả kinh tế, kỹ thuật của mặt đƣờng BTXM sử dụng
cốt liệu đá quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ.
4.10.1. Khả năng đáp ứng về cƣờng độ.
Cường độ là đặc tính quan trọng của bê tông xi măng mặt đường và được đánh
giá bằng các chỉ tiêu về cường độ chịu n n, cường độ k o uốn, mô đun đàn hồi. Các
kết quả thí nghiệm được tác giả tổng hợp theo Bảng 4.24 trong luận án có so sánh
với các yêu cầu đối với đường cấp III của quyết định QĐ3230[5].
Bảng 4.24. Bảng tổng hợp về cường độ của bê tông
TT
Chỉ tiêu
Bê tông đá quartzite Bê tông đá vôi Yêu cầu
1 Cường độ chịu n n (MPa)
50,8
49,83
≥36
2 Cường độ k o uốn (MPa)
5,7
5,64
≥4,5

3 Mô đun đàn hồi (MPa)
35821,29
35469,69
≥29000
4 Đánh giá
Đáp ứng yêu cầu
Nhận x t: Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite đáp ứng các yêu cầu về cường
độ theo quy định.
4.10.2. Phân tích hiệu quả kinh tế.
+ Để phân tích hiệu quả kinh tế của mặt đường BT M sử dụng cốt liệu đá
quartzite Thanh Sơn, Phú Thọ. Tác giả giả định tuyến đường cấp III có chiều dài
L=1km, chiều rộng mặt đường B = 7m, chiều dày trung bình h = 0,25m. Thể tích bê
tông cần dùng là V = 1750m3. Căn cứ vào thiết kế thành phần vật liệu cho 1m 3 bê
tông tác giả tính khối lượng vật liệu cho 1km đường như Bảng 4.25 trong luận án.
+ Để phân tích hiệu quả kinh tế tác giả chỉ tiến hành đánh giá về mặt giá thành
vật liệu với đơn giá tại khu vực Phú Thọ ở thời điểm quý II năm 2017 cho ta số liệu
như Bảng 4.26 trong luận án. Kết quả cho thấy: Giá thành bê tông đá quartzite là
845355,94 (đ/m3), giá thành bê tông đá vôi là 917510,43 (đ/m3).
Nhận x t: Giá thành vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite rẻ hơn giá
thành vật liệu bê tông sử dụng cốt liệu đá vôi. Có thể sử dụng cốt liệu đá quartzite
trong bê tông để tận dụng khai thác vật liệu địa phương, giá thành hạ, đẩy mạnh
phát triển kinh tế của khu vực.
4.11. Kết luận chƣơng 4.
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP
1. Kết luận.


23
Qua quá trình nghiên cứu và sử dụng đá quartzite làm cốt liệu cho bê tông xi
măng mặt đường. Tác giả đưa ra các kết luận sau:

1.1. Khẳng định vật liệu đá quartzite ở Thanh Sơn, Phú Thọ là một loại cốt liệu
chất lượng cao, trữ lượng khá lớn trên 10 triệu tấn mà từ trước tới nay chưa có
nghiên cứu để sử dụng cốt liệu này chế tạo BTXM mặt đường. Việc khai thác tận
dụng được vật liệu địa phương để chế tạo bê tông trong xây dựng đường là cấp
thiết để hạn chế sự vận chuyển của các loại cốt liệu làm tăng giá thành xây dựng,
hiệu quả khai thác sử dụng cao. Khẳng định vật liệu này phù hợp với tiêu chuẩn
hiện hành và có thể được sử dụng để chế tạo BTXM mặt đường ( chỉ x t trong điều
kiện các chỉ tiêu đã nghiên cứu, thí nghiệm trong luận án ). Phạm vi sử dụng của đá
quartzite và BT M sử dụng cốt liệu này là: đường cấp III, có quy mô giao thông
cấp nặng, đá quartzite được thay thế hoàn toàn đá vôi.
1.2. Bằng quy hoạch thực nghiệm tác giả tìm ra được phương trình hồi quy mô
tả mối quan hệ giữa các hàm mục tiêu: cường độ chịu n n, cường độ k o uốn với
yếu tố ảnh hưởng là tỷ lệ N, hai phương trình hồi quy là:
y1  19,19 X 2  5,62

y2  X 2  2,77

 2,5  X 2  3,5

 2,5  X 2  3,5

Thiết kế thành phần bê tông xi măng cấp 40 sử dụng cốt liệu đá quartzite Thanh
Sơn, Phú Thọ theo phương pháp ACI 211.1.91 với tỷ lệ N được chọn theo công
thức (3.10) đã xác lập theo quy hoạch thực nghiệm.
1.3. Các kết quả thí nghiệm về cường độ chịu n n, cường độ kéo uốn, mô đun
đàn hồi, độ sụt của BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite cho thấy chất lượng bê
tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite tốt và đạt yêu cầu tương đương với bê
tông xi măng sử dụng cốt liệu đá vôi.
1.4. Nghiên cứu đặc tính nhiệt của BTXM sử dụng cốt liệu đá quartzite.
Thông qua thực nghiệm tác giả xác định được 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 như 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 ) .
- Bê tông sử dụng cốt liệu đá quartzite có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn bê tông sử
dụng cốt liệu đá vôi (lớn hơn 1,5 lần ở 28 ngày tuổi).
1.5. Tính toán tấm bê tông xi măng sử dụng cốt liệu đá quartzite và cốt liệu đá
vôi với các kích thước dự kiến là 4m x 3,5m x 0,25m, kích thước 4,5m x 3,5m x
0,25m, theo quyết định QĐ3230 của Bộ Giao thông vận tải.