Tăng cao cường độ cấp phối đá dăm gia cố xi măng nhờ bảo dưỡng

Bài báo trình bày kết quả thí nghiệm xác định cường độ nén và cường độ ép chẻ của cấp phối đá dăm gia cố xi măng (CPĐD GCXM) 4% theo ba phương pháp bảo dưỡng khác nhau, gồm: (1) 7 ngày đầu tiên trong ẩm, 7 ngày tiếp theo trong không khí; (2) 14 ngày trong ẩm; (3) 7 ngày đầu tiên trong ẩm, 7 ngày tiếp theo ngâm trong nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, các đặc trưng cường độ của CPĐD GCXM phụ thuộc vào các phương pháp bảo dưỡng. Đối với phương pháp bảo dưỡng 7 ngày đầu trong ẩm và 7 ngày tiếp theo trong không khí, cường độ ép chẻ và cường độ nén của CPĐD GCXM cao hơn khoảng 1,23 và 1,25 lần so với phương pháp bảo dưỡng 7 ngày đầu trong ẩm và 7 ngày tiếp theo ngâm trong nước. Đối với phương pháp bảo dưỡng 14 ngày ẩm, cường độ ép chẻ và cường độ nén của CPĐD GCXM cao hơn khoảng 1,05 và 1,06 lần so với phương pháp bảo dưỡng 7 ngày đầu trong ẩm và 7 ngày tiếp theo ngâm trong nước.

1. Đặt vấn đề

CPĐD là loại vật liệu được sử dụng để làm các lớp móng trong kết cấu áo đường ô tô phổ biến nhất ở nước ta hiện nay. Tuy nhiên, trong các điều kiện bất lợi như các tuyến đường cấp cao có lưu lượng giao thông lớn hoặc trong các trường hợp bất lợi về chế độ thủy nhiệt như nền, mặt đường bị ẩm ướt kéo dài thì cường độ lớp CPĐD thường suy giảm và kém ổn định dẫn đến các hư hỏng các lớp mặt đường bên trên như vệt hằn bánh xe, nứt, ổ gà... Để tăng cường độ và độ ổn định của lớp CPĐD, người ta thường dùng lớp móng CPĐD GCXM với hàm lượng xi măng thông thường từ (3 - 6%) theo khối lượng của CPĐD khô. Lớp móng CPĐD GCXM được khuyến khích sử dụng trong các kết cấu mặt đường ô tô cao tốc, mặt đường ô tô cấp cao có qui mô giao thông lớn ở nước ta hiện nay.

Theo Quyết định số 2218 và TCVN 8858:2011, khi chế tạo các mẫu CPĐD GCXM để xác định cường độ nén và ép chẻ, các mẫu được bảo dưỡng 7 ngày ẩm và 7 ngày ngâm trong nước. Trong khi thi công lớp móng CPĐD GCXM ở hiện trường thì yêu cầu bảo dưỡng ẩm liên tục trong 14 ngày bằng một trong các biện pháp sau: tưới nhũ tương nhựa đường axít hoặc nhựa lỏng với lượng 0,6 - 0,8 lít/m²; hoặc phủ kín 5cm cát trên bề mặt và tưới nước giữ ẩm; hoặc phủ kín bằng vải địa kĩ thuật và tưới nước giữ ẩm; hoặc sử dụng chất tạo màng để bảo dưỡng. Sự khác biệt giữa hai phương pháp bảo dưỡng này làm cho cường độ thiết kế của CPĐD GCXM trong phòng thí nghiệm sẽ khác với cường độ của nó khi thi công ngoài hiện trường, do đó cường độ thiêt kế của CPĐD GCXM trong phòng thí nghiệm không thể đại diện cho cường độ của CPĐD GCXM thi công ngoài hiện trường.

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là đánh giá ảnh hưởng của các phương pháp bảo dưỡng đến các đặc trưng cường độ của CPĐD GCXM ở các độ tuổi 7 và 14 ngày. Ba phương pháp bảo dưỡng gồm: (1) 7 ngày đầu trong ẩm và 7 ngày tiếp theo để khô trong không khí, (2) 14 ngày trong ẩm; (3) 7 ngày đầu trong ẩm và 7 ngày tiếp theo ngâm trong nước.

2. Vật liệu sử dụng

2.1. Cấp phối đá dăm

Sử dụng CPĐD loại ID_max = 25mm ở mỏ đá Phú Mỹ Hòa (Đà Nẵng). Thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ, lý của CPĐD loại ID_max = 25mm ở mỏ đá Phú Mỹ Hòa phù hợp với và TCVN 8859:2011 và được thể hiện trong Bảng 2.1 và 2.2.
  2.2. Xi măng

Sử dụng Xi măng Sông Gianh PCB40 để chế tạo các mẫu CPĐD GCXM. Các chỉ tiêu cơ, lý của xi măng Sông Gianh PCB40 thỏa mãn theo TCVN 6260:2009 và TCVN 8858:2011 và được thể hiện trong Bảng 2.3. 3. Thí nghiệm đầm nén xác định dung trọng khô lớn nhất và độ ẩm tối ưu của CPĐD GCXM

Thí nghiệm đầm nén CPĐD GCXM được tiến hành theo Tiêu chuẩn 22 TCN 333:06. CPĐD được chuẩn bị tối thiểu 35kg sau khi đã loại bỏ các hạt quá cỡ trên sàng 19,0mm. Lấy mẫu thí nghiệm xác định độ ẩm ban đầu của CPĐD để tính toán xác định khối lượng khô của CPĐD và khối lượng xi măng, tiến hành cân khối lượng CPĐD, xi măng và cho chúng vào thùng trộn 250 lít trộn đảm bảo đồng đều. Sau đó, cho hỗn hợp ra khỏi thùng trộn và chia làm thành 5 phần tương đương nhau đánh số từ 1 - 5, mỗi phần được trộn đều với một lượng nước sao cho các phần có độ ẩm gia tăng khoảng 1,5% theo thứ tự mẫu. Sau khi tạo ẩm, các phần vật liệu được cho vào bịch kín và ủ mẫu 02 giờ trước khi đầm nén.
  Cối đầm có đường kính 152mm và cao 117mm. Chày đầm có khối lượng 4,5kg và chiều cao rơi 475mm. Mỗi cối được chia thành 5 lớp và mỗi lớp được đầm 56 chày đầm.Sau khi đầm đến lớp cuối cùng thì tiến hành làm mặt mẫuSau khi đầm đến lớp cuối cùng thì tiến hành làm mặt mẫuQuan hệ giữa độ ẩm W và dung trọng khô γ_k của CPĐD GCXM được thể hiện trong Hình 3.1. Từ phương trình hồi qui γ_k = - 0,008w² + 0,0086w + 2,033, ta xác định được độ ẩm tối ưu W₀ = 5,4% và dung trọng khô lớn nhất γ_kmax = 2,264 g/cm³. Khi kể đến tỉ lệ hạt quá cỡ, dung trọng khô lớn nhất hiệu chỉnh là γ_kmaxhc = 2,361 g/cm³.

4. Công tác chuẩn bị, đúc và bảo dưỡng các mẫu CPĐD GCXM

Số lượng mẫu CPĐD GCXM tương ứng với mỗi phương pháp bảo dưỡng được đúc 14 mẫu trụ đường kính 152mm và cao 117mm để thí nghiệm xác định cường độ nén và cường độ ép chẻ ở 7 và 14 ngày tuổi (một tổ mẫu gồm 6 mẫu). Các mẫu CPĐD GCXM được đúc ở độ ẩm tối ưu W0 = 5,38%. Tỉ lệ hỗn hợp cho 100kg CPĐD khô không chứa các hạt quá cỡ được ghi trong Bảng 4.1. Việc đúc các mẫu CPĐD GCXM được thực hiện tương tự như thí nghiệm đầm nén.
  Sau khi đúc xong, các mẫu CPĐD GCXM được phủ kín mặt bằng giẻ ẩm chống bay hơi trong khoảng 18 - 24 giờ, sau đó tháo các mẫu và bảo dưỡng. Ba điều kiện bảo dưỡng như sau:

- Bảo dưỡng 7 ngày trong ẩm và 7 ngày để khô trong không khí (7A7K): Trong 7 ngày đầu, các mẫu được phủ kín bằng hai lớp vải bao tải ẩm và định kì tưới nước để đảm bảo mẫu luôn ẩm ướt. Trong 7 ngày tiếp theo, các mẫu để khô trong không khí trong phòng thí nghiệm.

- Bảo dưỡng 14 ngày trong ẩm (14A): Các mẫu được phủ kín bằng hai lớp vải bao tải ẩm và định kỳ tưới nước để đảm bảo mẫu luôn ẩm ướt trong 14 ngày.

- Bảo dưỡng 7 ngày trong ẩm và 7 ngày ngâm trong nước (7A7N): Sau khi bảo dưỡng 7 ngày trong ẩm như trên, các mẫu CPĐD GCXM được ngâm trong nước trong 7 ngày tiếp theo.

Số lượng mẫu thí nghiệm cường độ nén và cường độ ép chẻ của CPĐD GCXM được thể hiện trong Bảng 4.2.
  5. Kết quả thí nghiệm và thảo luận

Trước khi thí nghiệm ở các độ tuổi 7 và 14 ngày, các mẫu được lấy ra để trong không khí khoảng 01 - 02 giờ cho ráo bề mặt. Đối với các mẫu thí nghiệm cường độ nén, bề mặt trên của mẫu được làm phẳng (capping) để đảm bảo độ bằng phẳng hạn chế sai số trong quá trình thí nghiệm.
  Thí nghiệm cường độ nén của các mẫu trụ CPĐD GCXM thực hiện theo. Cường độ nén của từng viên mẫu được tính theo công thức (1):

Trong đó: R_n - Cường độ nén của viên mẫu (MPa); P - Lực nén phá hoại mẫu (N); F - Diện tích chịu lực nén của viên mẫu (mm²);
K - Hệ số tính đổi cường độ nén từ các mẫu trụ đường kính 15,2cm, cao 11,7cm về mẫu lập phương 15x15x15cm; k = 0,96.

Thí nghiệm cường độ ép chẻ các mẫu trụ CPĐD GCXM tiến hành theo TCVN 8862:2011. Cường độ ép chẻ của viên mẫu được xác định theo công thức (2):

Trong đó: R_ech - Cường độ ép chẻ của viên mẫu (MPa); P - Tải trọng khi phá hủy mẫu (N); H - Chiều cao của mẫu hình trụ (chiều dài đường sinh) (mm); D - Đường kính đáy mẫu hình trụ, mm; π lấy bằng 3,1416.

Kết quả thí nghiệm cường độ nén (R_n) và cường độ ép chẻ (R_ech) của các mẫu CPĐD GCXM là giá trị trung bình của 6 viên mẫu được thể hiện trong các Hình 5.2 và 5.3.

Lấy phương pháp bảo dưỡng 7A7N làm chuẩn, sự gia tăng cường độ nén và cường độ ép chẻ của CPĐD GCXM ở 14 ngày tuổi của hai phương pháp bảo dưỡng còn lại được thể hiện bằng các hệ số k_n14 = R_n14/R_n14(7A7N) và k_ech14 = R_ech14/R_ech14(7A7N) như trong Bảng 5.1.
  Từ các kết quả trên các Hình 5.2, 5.3 và trong Bảng5.1 có các nhận xét sau:

Cường độ ép chẻ và cường độ nén của CPĐD GCXM ở 7 ngày tuổi đạt khoảng 80,33% và 82,24% khi bảo dưỡng theo phương pháp 7A7N; đạt khoảng 76,56% và 77,70% khi bảo dưỡng theo phương pháp 14A và đạt khoảng 65,33% và 65,89% khi bảo dưỡng theo phương pháp 7A7K so với cường độ ép chẻ và cường độ nén ở 14 ngày tuổi. Sự phát triển cường độ của CPĐD GCXM khi bảo dưỡng theo phương pháp 7A7N tương tự như nghiên cứu trước đây nhưng thấp hơn một chút có thể là do loại và cường độ của xi măng.

Phương pháp bảo dưỡng 7A7N dẫn đến các đặc trưng cường độ của CPĐD GCXM ở 14 ngày tuổi là thấp nhất, cao hơn một chút là phương pháp bảo dưỡng 14A, phương pháp bảo dưỡng 7A7K dẫn đến các đặc trưng cường độ của CPĐD GCXM ở 14 ngày tuổi là cao nhất. Như có thể thấy trong Bảng 5.1, cường độ nén và ép chẻ của CPĐD GCXM ở 14 ngày tuổi tăng khoảng 1,25 và 1,23 lần khi bảo dưỡng 7A7K so với 7A7N. Trong khi sự gia tăng cường độ nén và ép chẻ của CPĐD GCXM ở 14 ngày tuổi chỉ là 1,06 và 1,05 lần khi bảo dưỡng 14A so với 7A7N. Cả ba phương pháp bảo dưỡng giống nhau trong 7 ngày đầu tiên, tức là các mẫu được phủ giữ ẩm đầy đủ nên cường độ của chúng là như nhau, tuy nhiên trong 7 ngày tiếp theo việc giữ ẩm cho các mẫu là khác nhau. Đối với phương pháp bảo dưỡng 7A7K, sau 7 ngày đầu được giữ ẩm đầy đủ, các mẫu bị loại ẩm và để trong không khí 7 ngày. Trong thời gian 7 ngày để trong không khí, các mẫu CPĐD GCXM vẫn tiếp tục phát triển cường độ nhờ lượng ẩm có sẵn trước đó, theo thời gian độ ẩm của các mẫu sẽ giảm dần do sự thủy hóa của xi măng và bay hơi, các mẫu sẽ khô dần và tăng độ cứng. Chính vì các mẫu CPĐD GCXM bị khô nên góp phần làm gia tăng đáng kể cường độ của chúng. Đối với phương pháp bảo dưỡng 14A, các mẫu được phủ giữ ẩm đầy đủ trong 14 ngày, phương pháp này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các mẫu thủy hóa tốt hơn nhưng các mẫu luôn ở trạng thái gần bảo hòa dẫn đến cường độ thấp hơn. Đối với phương pháp 7A7N, các mẫu được ngâm trong nước 7 ngày tiếp theo sẽ tạo điều kiện cho các mẫu thủy hóa tốt nhất, sự phát triển cường độ của các mẫu CPĐD GCXM tương tự như phương pháp 14A nhưng thấp hơn, do các mẫu bị bảo hòa hoàn toàn.

Ta thấy rằng, đối với loại vật liệu nửa cứng có cường độ thấp như CPĐD GCXM, do khả năng hút và thấm nước lớn nên ảnh hưởng của sự bảo hòa nước đến các đặc trưng cường độ là rất đáng kể. Trường hợp kết thúc bảo dưỡng ẩm ở 14 ngày tuổi, các đặc trưng cường độ của CPĐD GCXM ở các độ tuổi muộn (kể từ 28 ngày) khi bảo dưỡng theo phương pháp 7A7N và 14A sẽ có lợi thế hơn so với phương pháp 7A7K.

Cường độ nén và cường độ ép chẻ yêu cầu của CPĐD GCXM dùng để xây dựng các loại móng mặt đường ô tô được qui định như trong Bảng 5.2.
  So sánh với các qui định trong Bảng 5.2 cho thấy rằng, CPĐD GCXM 4% có các đặc trưng cường độ thỏa mãn các yêu cầu qui định đối với các lớp móng trong kết cấu mặt đường.

Kết quả trên cũng cho thấy, cường độ nén và ép chẻ của CPĐD GCXM 4% ở 7 ngày bảo dưỡng ẩm liên tục là 6,76MPa và 0,49MPa, thỏa yêu cầu qui định về cường độ nén và ép chẻ tối thiểu ở 14 ngày là 4,0MPa và 0,45MPa [1,2,8]. Hơn nữa, cường độ nén và cường độ ép chẻ của CPĐD GCXM ở 7 ngày tuổi theo phương pháp bảo dưỡng 7A7N và 14A đều đạt trên 75% cường độ thiết kế ở 14 ngày tuổi. Như vậy, khi thi công lớp móng CPĐD GCXM 4%, có thể chỉ cần bảo dưỡng ẩm liên tục trong thời gian 7 ngày là đảm bảo yêu cầu.

6. Kết luận và kiến nghị

Các đặc trưng cường độ của CPĐD GCXM phụ thuộc vào các phương pháp bảo dưỡng. Phương pháp bảo dưỡng 7A7K dẫn đến các đặc trưng cường độ của CPĐD GCXM ở 14 ngày tuổi là cao nhất, tiếp đến là phương pháp bảo dưỡng 14A, phương pháp bảo dưỡng 7A7N dẫn đến các đặc trưng cường độ của CPĐD GCXM ở 14 ngày tuổi là thấp nhất. Cường độ nén và ép chẻ của CPĐD GCXM ở 14 ngày tuổi tăng khoảng 1,25 và 1,23 lần khi bảo dưỡng 7A7K; tăng khoảng 1,06 và 1,05 lần khi bảo dưỡng 14A so với bảo dưỡng 7A7N.

Cường độ nén và ép chẻ của CPĐD GCXM 4% ở 7 ngày tuổi đảm bảo yêu cầu qui định theo các tiêu chuẩn hiện hành, đồng thời đạt trên 75% cường độ so với ở 14 ngày tuổi khi bảo dưỡng ẩm theo phương pháp 7A7N và 14A. Do đó, khi thi công lớp CPĐD GCXM 4% ngoài hiện trường, có thể chỉ cần bảo dưỡng ẩm liên tục trong thời gian 7 ngày là đảm bảo yêu cầu.

Khi xác định cường độ thiết kế của CPĐD GCXM trong phòng, các mẫu nên được bảo dưỡng ẩm liên tục trong 14 ngày để thuận lợi cho việc so sánh, đánh giá cường độ của chúng so với khi thi công ngoài hiện trường. Ngoài ra, khi thi công lớp CPĐD GCXM ngoài hiện trường, trong thành phần hạt của chúng sẽ có một hàm lượng hạt quá cỡ nhất định (cỡ hạt trên sàng 19,0mm) sẽ ảnh hưởng rất lớn đến các đặc trưng cường độ so với kết quả trong phòng thí nghiệm. Vì vậy, nghiên cứu tương lai, chúng tôi sẽ đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng hạt quá cỡ đến các đặc trưng cường độ của CPĐD GCXM.