Tài liệu Nghiên cứu sử dụng đất đá thải từ các mỏ than khu vực cẩm phả, quảng ninh làm đường ô tô tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐỖ VĂN THÁI NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT ĐÁ THẢI TỪ CÁC MỎ THAN KHU VỰC CẨM PHẢ, QUẢNG NINH LÀM ĐƯỜNG Ô TÔ Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9.58.02.05 Chuyên ngành : Xây dựng đường ôtô và đường 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 Người hường dẫn khoa học: 1. PGS.TS. nguyễn Hữu Trí Viện khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải 2. GS.TS. Phạm Huy Khang 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 2019. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc Gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải tháng năm CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 1. Ths.NCS. Đỗ Văn Thái, PGS.TS Nguyễn Hữu Trí, GS.TS. Phạm Huy Khang (2015), “Nghiên cứu sử dụng vật liệu đất đá thải tại các mỏ than ở Cẩm Phả - Quảng Ninh và khả năng sử dụng chúng trong Xây dựng đường ô tô”, Tạp chí Giao thông vận tải, (9), tr.45-48. 2. Ths.NCS. Đỗ Văn Thái, (2018), “Nghiên cứu đánh giá hiện tượng nứt trên mặt lớp móng đường sử dụng cấp phối đất đá thải mỏ than Quảng Ninh gia cố xi măng và giải pháp khắc phục”, Tạp chí Giao thông vận tải.(4), tr.83-86. 3. Ths.NCS. Đỗ Văn Thái, PGS.TS Nguyễn Hữu Trí, GS.TS. Phạm Huy Khang (2018), “Kết quả thử nghiệm đất đá thải mỏ than Quảng Ninh gia cố xi măng làm móng mặt đường ô tô”, Tạp chí Giao thông vận tải.(9), tr.41-44. 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề nghiên cứu Để khai thác và tuyển chọn được 1m3 than sạch thông thường ở Quảng Ninh phải bóc bỏ đổ đi từ 8 đến 12m3 đất đá thải. Trữ lượng đất đá đổ thải tiềm tích khai thác than ở khu vực Quảng Ninh tính đến hết năm 2012 đã vào khoảng 3,7 tỷ m3 và dự tính trong giai đoạn 2013 - 2020 tiếp tục gia tăng khoảng 1,9 tỷ m3. Đường vào các bãi thải mưa thì lầy, nắng thì bụi, gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường đến mức báo động, hiện tượng sụt lở núi đất đá thải luôn rình rập, vùi lấp công trình và gây tai họa cho con người. Tập đoàn than Khoáng sản Việt Nam đã quy hoạch các bãi đổ thải để tập trung thu gom về một mối. Tình trạng ô nhiễm môi trường đã có phần được cải thiện, tuy nhiên vẫn chưa khả thi trong việc ngăn chặn hệ lụy từ các bãi đổ thải hình thành từ khai thác than lộ thiên tại Quảng Ninh. Xuất phát từ thực tế đó, NCS đã đề xuất và thực hiện thành công đề tài nghiên cứu với tên luận án: “Nghiên cứu sử dụng đất đá thải từ các mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh làm đường ô tô” 2. Mục đích nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu khảo sát hiện trường, thí nghiệm trong phòng và thử nghiệm hiện trường; tiến hành phân tích đánh giá và đề xuất khả năng sử dụng đất, đá thải từ các mỏ than ở khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh làm đường ô tô. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: đất, đá thải các mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh gia cố với xi măng hoặc không gia cố sử dụng làm lớp vật liệu trong kết cấu mặt đường ô tô, mặt đường GTNT. Phạm vi nghiên cứu: hiện trường bãi thải Đông Cao Sơn (ĐCS) khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh; thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý kỹ thuật đất đá thải mỏ than không gia cố và có gia cố với xi măng; thử nghiệm tại hiện trường sử dụng vật liệu đất đá thải làm mặt đường ô tô. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4.1 Ý nghĩa khoa học: Làm rõ được cơ sở khoa học, hiệu quả gia cố xi măng đối với 02 loại cấp phối đề xuất (A-ĐCS và AB-ĐCS). Bổ xung, hoàn thiện công nghệ thi công và kiểm soát chất lượng lớp vật liệu cấp phối AB-ĐCS gia cố xi măng trong xây dựng kết cấu mặt đường ô tô. Phân tích và đề xuất áp dụng một số kết cấu mặt đường ô tô điển hình sử dụng đất, đá thải mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn: 2 Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và tận dụng vật liệu địa phương trong xây dựng đường ô tô. Hoàn thiện dây chuyền công nghệ từ gia công sản xuất vật liệu đến trộn hỗn hợp gia cố, san, rải, đầm lèn và kiểm soát chất lượng, chế độ bảo dưỡng, hạn chế nứt lớp cấp phối đất, đá thải gia cố xi măng trong xây dựng mặt đường ô tô. Xây dựng thành công một đoạn đường thử nghiệm có kết cấu áo đường bằng lớp đất đá thải mỏ than Quảng Ninh. Đề xuất cấu tạo một số kết cấu áo đường điển hình có sử dụng đất đá thải mỏ than, phạm vi áp dụng trong xây dựng đường ô tô và đường GTNT. 5. Cấu trúc của luận án: Luận án gồm phần mở đầu; 4 chương chính; Phần kết luận, kiến nghị - hướng nghiên cứu tiếp theo; Danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục. Chương 1. TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 Tổng quan về đất, đá thải từ các mỏ khai thác than 1.1.1 Khai thác than và đất đá thải từ các mỏ than trên thế giới Khai thác than tác động đến vấn đề môi trường nghiêm trọng, bao gồm hiện tượng xói mòn, sụt sạt đất đá do mưa lũ, gây mất cân bằng sinh học, ô nhiễm môi trường (không khí, nước, đất) cũng như chiếm dụng diện tích đất chứa cho bãi đổ thải. Những công ty, tập đoàn khai mỏ trên thế giới đều tuân thủ những quy định của chính phủ về môi trường và phải phục hồi nguyên trạng môi sinh, khắc phục một số tác động đến môi trường do khai thác khoáng sản gây ra, trong đó có khai thác than. 1.1.2 Khai thác than và thực trạng đất, đá thải từ các mỏ than ở Quảng Ninh Dự tính trong giai đoạn 2013 - 2020, khối lượng đất, đá thải từ các mỏ than ở Quảng Ninh tiếp tục gia tăng lên mức khoảng 1,9 tỷ m3. Hiện tại, bãi thải lớn nhất vùng than Cẩm Phả, Quảng Ninh là bãi thải Đông Cao Sơn (ĐCS) có dung tích 295 triệu m3. Riêng trong giai đoạn 2011 - 2015, khối lượng đất đá thải ở bãi thải Đông Cao Sơn đã là 509,8 triệu m3, chiếm gần 83% tổng khối lượng đất đá thải của toàn vùng Cẩm Phả. 1.1.3 Quy mô và thực trạng bãi đổ thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh Theo thiết kế do Liên Xô lập năm 1980 với tổng diện tích là 280 ha, mức cao đổ thải cao nhất ở độ cao +255m, dung tích bãi thải là 359,1 triệu m3 và chỉ phục vụ cho việc đổ thải của mỏ Cao Sơn. Hiện nay bãi thải ĐCS (Hình 1.4) được 3 quy hoạch đổ thải cho cả các mỏ than lân cận. Các xe vận chuyển siêu trường, siêu trọng liên tục nối đuôi nhau ra vào đổ thải. Đất đá thải thu gom chất thành núi cao, trung bình từ 60m đến 150m, có nơi rất cao thậm chí cao đến 250m so với mặt nước biển. Hình 1.4: Mặt bằng theo quy hoạch bãi thải Đông Cao Sơn Đất, đá thải mỏ than tập kết trên bãi thải Đông Cao Sơn được hình thành từ việc nổ mìn phá đá bóc đi tầng phủ nguyên sinh phía trên đến giáp miền cận quặng (bể than). Đá thải ở đây có cường độ thấp, độ bền cơ học không cao và lẫn trong đó một lượng nhỏ đất từ bề mặt của tầng đất phủ, ước tính chiếm khoảng 10% tổng số vật liệu thải. Đất đá thải có nhiều cỡ hạt khác nhau, thay đổi từ dạng hạt bụi đến cát, dăm sạn rồi đến các loại đá cục và đá tảng. Hình 1.5: Thực trạng đất, đá thải tại bãi thải Đông Cao Sơn 1.2 Tổng quan về sử dụng đất đá thải trong xây dựng đường ô tô 1.2.1 Những kết quả nghiên cứu và chỉ dẫn kỹ thuật ở nước ngoài Có rất nhiều nước trên thế giới sử dụng đất đá thải và có ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến vật liệu đá, đá thải, đá lẫn đất để xây dựng đập và nền đường trong đó: - Chỉ dẫn kỹ thuật cho đường ô tô - Xây dựng nền đường đắp của Nam Phi, 1982. - Chỉ dẫn kỹ thuật của Mỹ. - Chỉ dẫn kỹ thuật của Sở GTVT bang Washington, Mỹ. - Yêu cầu kỹ thuật đối với đất, đá thải đắp nền đường của Vương quốc Anh. - Chỉ dẫn sử dụng đá thải đắp nền đường tại Úc. 1.2.2 Những kết quả nghiên cứu bước đầu và chỉ dẫn kỹ thuật ở Việt Nam Ở nước ta, nguồn đất, đá thải từ việc khai thác mỏ, sản xuất đá,… và chất thải rắn trong quá trình phá dỡ hoặc xây dựng công trình hiện nay rất lớn. Những kết quả nghiên cứu sử dụng phế thải này trong xây dựng đường ô tô còn hạn chế đặc 4 biệt về thử nghiệm và kiểm chứng, đánh giá. 1.2.2.1 Các tiêu chuẩn xây dựng nền đường ô tô có liên quan đến đất, đá thải - Giai đoạn trước năm 2005 có một số công trình đường ô tô ở địa phương có sử dụng đất, đá thải chỉ mang tính tự phát và phi tiêu chuẩn. Hình 1.9: Mặt đường sử dụng đá lát nhiều kích cỡ và đá xô bồ - Giai đoạn sau năm 2005 trở lại đây đã có những quy định kỹ thuật trong xây dựng nền đường ô tô có liên quan đến đất, đá thải như sau: TCVN4054;TCN211-06;TCVN9436;TCN333-06. - Vấn đề nghiên cứu và thử nghiệm gần đây a/ Thử nghiệm: Việc xây dựng nền đường bằng đá thải chưa có trong tiêu chuẩn nên Bộ GTVT cho làm thử để nghiên cứu, rút kinh nghiệm trên một số tuyến đường như Cao tốc Hà Nội – Lào Cai, Tuyến đường Lê Công Thanh – Phủ Lý – Hà Nam. Hình 1.11: Đắp nền đường bằng đá thải Gói thầu A8 Cao tốc Hà Nội – Lào Cai Hình 1.12: Đắp nền đường bằng đá thải Quốc lộ 1A, đoạn Phủ Lý - Cầu Đoan Vĩ b/ Một số đề tài nghiên cứu 1. Đề án “Xử lý, tái sử dụng chất thải rắn trong xây dựng công trình giao thông đường bộ” Mã số: MT 103005, Viện KHCN GTVT. 2. Đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu đắp đá và đắp đá lẫn đất trong thi công xây dựng nền, mặt đường tại Việt Nam” Mã số: 124002 – Viện KHCN GTVT. 5 3. Nghiên cứu thực nghiệm đất đá thải ở bãi thải Nam Khe Tam – Luận văn cao học – Vũ Vinh, 2013. 4. Dự thảo Tiêu chuẩn cơ sở “Nghiên cứu đắp đá và đắp đá lẫn đất trong thi công xây dựng nền, mặt đường tại Việt Nam”, 2018, Viện KHCN GTVT 2- Các Tiêu chuẩn xây dựng móng đường ô tô có liên quan đất, đá thải - 22TCN 211-06; TCVN 8857:2011; TCVN 8859:2011;TCVN 8858:2011; TCVN 10379:2014. 1.3 Tổng hợp, phân tích và đề xuất nội dung nghiên cứu - Nước ngoài: khuyến khích sử dụng để san lấp mặt bằng, đắp nền đường ô tô với kích cỡ mở rộng tới 500 mm. Đồng thời, nguồn vật liệu đất, đá thải từ các mỏ than có thể dùng để sản xuất cấp phối đá dăm dùng trong xây dựng móng đường ô tô. - Trong nước: có Đề án, Dự án nghiên cứu về đất, đá thải trong khai thác than ở Quảng Ninh nhưng chủ yếu tập trung vào việc quy hoạch mặt bằng; Đề tài nghiên cứu về khoáng hóa của đất, đá thải; về thổ nhưỡng; về sản xuất vật liệu như gạch, ngói trong xây dựng; san lấp mặt bằng, làm đường tạm, dân sinh; sản xuất cát nhân tạo. 1.3.3 Phân tích và đề xuất nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thử nghiệm trong phòng về cấp phối đất, đá thải đã đề xuất gia cố xi măng; lựa chọn tỷ lệ chất kết dính hợp lý; phân tích đánh giá hiệu quả gia cố và xác định các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp gia cố xi măng dùng trong tính toán thiết kế thử nghiệm hiện trường. Xây dựng đoạn đường thử nghiệm sử dụng đất đá thải mỏ than trong kết cấu áo đường; Đề xuất một số kết cấu điển hình; đề xuất công nghệ sản xuất vật liệu cấp phối; hoàn thiện công nghệ thi công lớp cấp phối đất đá thải gia cố xi măng. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, phân tích cơ sở khoa học về sử dụng vật liệu trong xây dựng mặt đường ô tô. Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng, thử nghiệm ngoài hiện trường. Sử dụng phương pháp tổng hợp, thống kê trong thiết kế thực nghiệm, xử lý kết quả thí nghiệm. Chương 2: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VÀ ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN KHU VỰC CẨM PHẢ, QUẢNG NINH LÀM VẬT LIỆU XÂY DỰNG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 2.1 Nghiên cứu cơ sở khoa học sử dụng vật liệu đất, đá gia cố chất kết dính vô cơ trong xây dựng mặt đường ô tô 6 2.1.1 Khái niệm chung về gia cố vật liệu Quá trình tác động vật lý và cơ học do nghiền nhỏ cốt liệu, trộn và đầm nén để tạo khả năng tiếp xúc chặt chẽ giữa các hạt đất, đá cũng như các chất trộn thêm vào. Tính chất cơ lý và độ chặt được cải thiện, làm tăng khả năng ổn định với nước và hạn chế những tác động có hại trong môi trường. Tuy nhiên hiệu quả gia cố cao chỉ đạt được với điều kiện chọn đúng chất liên kết và tỉ lệ sử dụng phù hợp với nhóm đất hay nhóm vật liệu hạt cần gia cố. Đồng thời chất liên kết phải được phân bố đồng đều kết hợp đầm nén đảm bảo. 2.1.2. Sự hình thành cường độ của đất gia cố chất kết dính vô cơ Đất gia cố chất kết dính vô cơ là hình thức trộn đều đất với chất kết dính vô cơ và nước theo một tỷ lệ nhất định trong thiết bị hoặc ở hiện trường; sau đó rải và lu lèn đến độ chặt yêu cầu tạo thành các lớp vật liệu móng, mặt đường. Cường độ của đất gia cố sẽ tăng theo thời gian để đạt được cường độ thiết kế yêu cầu tùy thuộc vào loại chất liên kết sử dụng. Sự hình thành cường độ và tính ổn định nước của hỗn hợp vật liệu hạt gia cố chất liên kế vô cơ phụ thuộc nhiều vào thành phần khoáng của vật liệu hạt, phương pháp gia cố, các phản ứng xảy ra tại bề mặt tiếp xúc giữa các chất kết dính với vật liệu khoáng và quá trình trao đổi ion giữa chúng. 2.1.3 Sự hình thành cường độ của các lớp vật liệu gia cố xi măng Trong giai đoạn đầu xi măng trộn trong đất được thủy hóa nhờ nước trong hỗn hợp sẽ tạo các sản phẩm thủy hóa; các sản phẩm này biến cứng giúp hình thành cường độ cho hỗn hợp. Trong giai đoạn tiếp theo sẽ xảy ra sự tương tác hóa lý và hóa học của cốt liệu mịn trong hỗn hợp với các sản phẩm thủy hóa của xi măng. Kết quả của hai quá trình trên tạo ra cấu trúc kết tinh có cường độ cao cho hỗn hợp gia cố xi măng. Cường độ này không chỉ phụ thuộc vào mác xi măng, tỷ lệ, loại xi măng mà còn phụ thuộc vào các tính chất như độ phân tán, thành phần hạt, thành phần khoáng hóa, hàm lượng các muối hòa tan, hàm lượng mùn hữu cơ và độ pH trong hỗn hợp vật liệu gia cố. Theo tính chất của xi măng, quá trình hình thành cường độ của lớp vật liệu gia cố xi măng cũng phát triển dần chủ yếu trong giai đoạn 28 ngày tuổi. 2.2 Thiết kế thí nghiệm và xử lý thống kê số liệu thí nghiệm 2.2.1 Thiết kế thí nghiệm Thiết kế thực nghiệm DoE (Design of Experiments) bao gồm lựa chọn thí nghiệm, quy hoạch mẫu, thực hiện thí nghiệm và phân tích thống kê xử lý kết quả. Nghiên cứu thiết kế thí nghiệm tổng quát (General full factorial design) sử 7 dụng phần mềm Minitab 18 ở độ tin cậy 95%, mức ý nghĩa α=5%, trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu với số mẫu nhỏ sử dụng phương pháp của Tukey. 2.2.2 Các công thức tính toán Đối với tập mẫu xi gồm n mẫu, có giá trị trung bình x và độ lệch chuẩn s . Giá trị trung bình được xác định theo công thức: x n x i 1 i n (2.1) Độ lệch chuẩn của thông số cần kiểm soát x được tính bằng công thức:   x  x n s i 1 2 i n 1 (2.2) Với số mẫu thử (sample) n ≤30 thì mẫu số của công thức là (n-1) còn với tổng thể (population) n >30 thì thay (n-1) bằng n. Trong các nghiên cứu thí nghiệm trong phòng với số mẫu nhỏ nên sử dụng với mẫu số (n-1). Hệ số biến sai của thông số cần kiểm soát được tính theo công thức cv  s x (2.3) Đối với tổ mẫu hoặc tập mẫu, để đánh giá mức độ biến động hoặc đánh giá độ R X X max min chụm, thường dùng khoảng R (Range) theo công thức (2.4) Khoảng tin cậy được xác định là khoảng giá trị mà với một xác suất tương ứng thì tham số nằm trong khoảng đó. Cận dưới của khoảng tin cậy được gọi là giới hạn tin cậy dưới. Cận trên của khoảng tin cậy được gọi là giới hạn tin cậy trên. Trong kiểm soát chất lượng thi công mặt đường thường lấy khoảng tin cậy (CI) ±95%. xCI  x    s n (2.5) Với xCI là các giá trị cận dưới và cận trên của khoảng tin cậy ứng với độ tin cậy R;   là hệ số xác định theo t-test;  là sai số cho phép  thì =5%.  1 R , thường R=95% Giá trị đặc trưng X dt của biến số X tuân theo quy luật phân bố chuẩn được tính: X dt  X  K .S Trong đó hệ số K=1,645 ứng với độ tin cậy R = 95% 2.2.3 Đánh giá số mẫu trong tổ mẫu (2.6) 8 Pow er Sử dụng phần mềm thống kê Minitab 18 đánh giá lại số mẫu với tiêu chuẩn ttest, power=0,8 (hệ số   1  0,8  0, 2 ) và mức ý nghĩa =0,05 (Hình 2.5) Độ mạnh và cỡ mẫu Power Curve for 1-Sample t Test 1.0 1-Sample t-test Sample Size Giá trị trung bình = null (versus ≠ 9 0.8 Assumptions null) α 0.05 StDev 1 0.6 Alternative ≠ Tính toán độ mạnh cho giá trị trung bình = null + độ chênh kệch 0.4 α = 0.05 Giả thiết độ lệch chuẩn = 1 0.2 Kết quả 0.0 Khác -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 Cỡ mẫu Độ mạnh Difference biệt 9 0.8  Hình 2.5: Phân tích lựa chọn số mẫu thí nghiệm 2.2.4 Loại bỏ số liệu ngoại lai và đánh giá độ chụm Độ chụm là mức độ gần nhau giữa các kết quả thử nghiệm độc lập nhận được trong điều kiện quy định, thể hiện chất lượng công tác thí nghiệm, đảm bảo cơ sở khoa học để phân tích đưa ra những kết luận và kiến nghị của đề tài nghiên cứu. 2.3 Khảo sát, lấy mẫu đại diện và thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ, lý, hóa của đất, đá thải mỏ than Đông Cao Sơn 2.3.1 Lựa chọn bãi thải đại diện Bãi thải Đông Cao Sơn là bãi thải có dung tích lớn nhất, ước tính lên đến 295 triệu m3, là nơi tập trung thu gom đất đá thải từ các mỏ than lộ thiên lân cận như: Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Khe Chàm II và Đông Đá Mài, chiếm trên 94% tổng khối lượng đất đá thải toàn vùng. Hình 2.6: Đất, đá thải mỏ Đông Cao Sơn 2.3.2 Đặc điểm chung của bãi thải Đông Cao Sơn 9 Vật liệu đất, đá thải tại bãi thải ĐCS thành phần chủ yếu bao gồm các loại đá phong hóa (cát kết, bột kết, sét kết) có độ bền cơ học không cao và lẫn trong đó một lượng nhỏ đất từ bề mặt của tầng phủ, ước chiếm khoảng 10% tổng số vật liệu thải. Đất đá thải có nhiều cỡ hạt khác nhau, thay đổi từ dạng hạt bụi đến cát, dăm sạn rồi đến các loại đá cục và đá tảng (Hình 2.6). 2.3.3 Lấy mẫu đất, đá thải đại diện Tiến hành điều tra, phân tích và lập kế hoạch lấy “mẫu” một cách rất cẩn trọng, tiêu chí cơ bản sau: thứ nhất, mẫu phải đại diện cho toàn bộ khu vực bãi thải; thứ hai, một lần lấy mẫu phải đủ khối lượng cho các nghiên cứu thí nghiệm (phân loại và xác định thành phần hạt, chỉ tiêu cơ lý, các đặc trưng kỹ thuật trong xây dựng đường). Hình 2.7: Lấy mẫu đất, đá thải đại diện mỏ Đông Cao Sơn 2.3.4 Thành phần khoáng hóa của đất, đá bãi thải Bảng 2.1: Thành phần khoáng hóa đất, đá thải mỏ Đông Cao Sơn Kết quả Số Đơn P.Pháp Chỉ tiêu trung Thành phần khoáng hóa TT vị thử bình của đất đá thải ở bãi đổ thải 1 SiO2 % 77,12 ĐCS khu vực Cẩm Phả, 2 Fe2O3 % 4,47 Quảng Ninh được dẫn ở 3 KMn % 4,42 Bảng 2.1 (Trích dẫn số liệu 4 Al2O3 % 9,4 báo cáo tại Hội nghị khoa TCVN học thường niên 5 TiO2 % 0,26 7131 2014/ISBN: (978-604-826 K2O % 1,67 2002 1388-06). 7 Na2O % 0,16 8 CaO % 0,84 9 MgO % 0,8 10 SO3 % 0,02 2.3.5 Xác định thành phần hạt 10 Thành phần cỡ hạt được chia làm 2 nhóm: Bảng 2.2: Khối lượng theo nhóm bãi thải Đông Cao Sơn. Nhóm A kích cỡ trên 50mm; nhóm B kích cỡ từ 50mm trở xuống. Kết quả phân tích dẫn ở Bảng 2.2 Kích cỡ, mm Nhóm Khối lượng, % Mẫu 1 Mẫu 2 A >50 89,6 88,5 B ≤ 50 10,4 11,5 Loại cỡ >50mm lại được chia thành 3 cấp: Cấp a: >50100mm; Cấp b: >100 ÷ 150mm; Cấp c: >150mm. Kết quả phân tích tỷ lệ phần trăm khối lượng mỗi cấp hạt trong tổng khối lượng của nhóm A bãi thải ĐCS dẫn ở Bảng 2.3. Bảng 2.3: Khối lượng theo cấp bãi thải ĐCS (nhóm A) Cấp Kích cỡ, mm Khối lượng, % Mẫu I Mẫu II a > 150 50,6 57,2 b > 100÷150 26,6 21,8 c > 50100 22,8 21,0 Bảng 2.4: Thành phần cỡ hạt của đất đá bãi thải Đông Cao Sơn (nhóm B) Loại có kích cỡ từ 50mm trở xuống phân tích thành phần hạt theo TCVN 4198: 2015. Kết quả dẫn ở Bảng 2.4. Cỡ sàng, mm Lượng lọt sàng, % Mẫu I Mẫu II 50 99,17 100 25 86,2 84,42 9,5 64,32 60,54 4,75 51,2 46,91 2 26,85 33,41 0,425 11,31 13,68 0,075 3,84 5,06 Đáy 11 Tổng hợp phân loại cỡ hạt của đất đá bãi thải ĐCS dẫn ở Bảng 2.5. Bảng 2.5: Tổng hợp phân loại cỡ hạt của đất đá bãi thải ĐCS Kết quả % Nhóm Cấp Kích cỡ, mm Mẫu I Mẫu II a >150 45,3 50,7 b >100÷150 23,8 19,3 A c 20,5 18,5 >50100 50 ÷ 25 1,44 1,81 25 ÷ 9,5 2,27 2,77 9,5 ÷ 4,75 1,35 1,58 B 4,75 ÷ 2 2,54 1,57 2 ÷ 0,425 1,61 2,29 0,42 ÷ 0,075 0,77 1,00 < 0,075 0,4 0,59 Hình 2.7a: Phân loại thành phần cỡ hạt đất, đá bãi thải ĐCS Từ cỡ hạt được phân loại trên sẽ nghiên cứu đề xuất 2 hướng sử dụng: (i) chỉ nghiền sàng nhóm A ra thành cấp phối có dạng tương tự cấp phối đá dăm, hoặc (ii) nghiền sàng nhóm A sau đó phối trộn với nhóm B tạo thành cấp phối loại AB. 2.3.6 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ bản của đất, đá thải Thí nghiệm được thực hiện với cả 2 mẫu đại diện Mẫu I và Mẫu II. Bảng 2.6: Danh mục, khối lượng, phương pháp thử nghiệm Số mẫu thử Tổng Số Nội dung thí mẫu Phương pháp thử TT nghiệm Mẫu I Mẫu II thử TCVN 75721 Cường độ đá gốc 9 9 18 10:2006 Độ mài mòn TCVN 7572–12: 2 9 9 18 LA% 2006 3 Giới hạn chảy % 9 9 18 TCVN 4197–1995 4 Giới hạn dẻo % 9 9 18 TCVN 4197–1995 Đầm nén tiêu 5 9 9 18 22TCN 333-06. chuẩn 6 CBR 9 9 18 22TCN 332–06 2.3.6.1. Thí nghiệm cường độ của đá gốc 12 Kết quả trung bình cường độ đặc trưng của 2 mẫu là 70,22 MPa. 2.3.6.2. Thí nghiệm độ mài mòn Los Angeles Kết quả trung bình độ mài mòn LA của 2 Mẫu là 38,59%. 2.3.6.3. Thí nghiệm chỉ số dẻo của đất Kết quả trung bình: Giới hạn chảy 29,65%; Giới hạn dẻo 25,02%; Chỉ số dẻo 4,63%. 2.4.6.4. Thí nghiệm xác định chỉ số CBR Kết quả trung bình CBR 61,40%. 2.3.7 Nhận xét, đánh giá kết quả thí nghiệm đất, đá thải để sử dụng làm vật liệu xây dựng nền đường và kết cấu mặt đường Đề xuất một số hướng sử dụng đất đá thải trong xây dựng nền móng đường ô tô như sau: 1. Sử dụng trực tiếp để đắp nền đường ô tô 2. Sử dụng trực tiếp làm móng, mặt đường ô tô 3. Làm móng mặt đường ô tô sau khi gia cố với xi măng 2.4 Nghiên cứu đề xuất lựa chọn cấp phối đất, đá thải mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh làm vật liệu kết cấu mặt đường ô tô - Phương án 1: Sử dụng riêng vật liệu nhóm A để sản xuất cấp phối theo yêu cầu về thành phần hạt đạt Dmax theo TCVN 8859:2011 đồng thời cũng đạt Dmax= 31,5 theo TCVN 8858:2011 đặt tên là “Cấp phối A-ĐCS”. - Phương án 2: Sử dụng tất cả các cỡ hạt đất đá bãi thải ĐCS để sản xuất cấp phối “đất lẫn đá” đặt tên là “Cấp phối AB-ĐCS”. 2.4.1 Thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lý cấp phối A-ĐCS Bảng 2.10: Thành phần hạt của cấp phối A-ĐCS Kích cỡ lỗ sàng vuông, mm 37,5 31,5 25,0 19,0 9,5 4,75 2,36 0,425 0,075 Tỷ lệ % lọt qua sàng Cấp phối A-ĐCS 100 85 78 57 40 30 17 6 TCVN 8858:2011 Dmax= 31,5 100 95 ÷ 100 79 ÷ 90 67 ÷ 83 49 ÷ 64 34 ÷ 54 25 ÷ 40 12 ÷ 24 2 ÷ 12 TCVN 8859:2011 Dmax= 25,0 100 79-90 67-83 49-64 34-54 25-40 12-24 2-12 13 - Kết quả CBR của cấp phối A-ĐCS bằng 67,98%; Thí nghiệm hàm lượng hạt thoi dẹt được kết quả 16%; Hàm lượng hữu cơ 0,5% và lượng muối sunphat 0%. - Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu khác của cấp phối A-ĐCS dẫn ở Bảng 2.11. Bảng 2.11: Một số chỉ tiêu cơ lý của cấp phối A-ĐCS TCVN 8859:2011 Cấp phối TCVN Chỉ tiêu A-ĐCS 8858:2011 Loại I Loại II móng trên Độ mài mòn LA, % 38,59 ≤ 35 ≤ 40 ≤ 35 CBR tại độ chặt K98, ngâm 67,98 ≥ 100  nước 96 h, % (61,40) Giới hạn chảy (WL), % 29,65 ≤ 25 ≤ 35 4,63 Chỉ số dẻo (IP), % ≤ 6 ≤ 6 ≤ 6 (5,34) Lượng hạt thoi dẹt, % 16 ≤ 18 ≤ 20 0,5 Lượng hữu cơ, % 2 (0,9) Lượng muối Sunfát 0 0,25 Ghi chú: Trị số trong ngoặc đơn là của cấp phối AB-ĐCS Nhận xét: Như vậy lớp vật liệu cấp phối A-ĐCS có thể dùng trực tiếp làm làm lớp móng dưới của các loại kết cấu áo đường ô tô; trường hợp sử dụng làm móng trên của kết cấu áo đường ô tô, đề xuất phương án gia cố với xi măng (trình bày ở phần dưới). 2.4.2 Thành phần hạt và chỉ tiêu cơ lý cấp phối AB-ĐCS Bảng 2.12: Thành phần hạt của cấp phối AB-ĐCS Kích cỡ lỗ Lượng lọt sàng, % sàng CPĐD, Dmax CPĐD, CPTN CPTN Cấp phối vuông, 37,5 Dmax 31,5 loại A loại B AB-ĐCS mm 50,0 100 100 37,5 95-100 100 100 100 95 31,5 95-100 90 25,0 79-90 75-95 85 19,0 58-78 67-83 78 9,5 39-59 49-64 30-65 40-75 57 4,75 24-39 34-54 25-55 30-60 45 14 2,36 (2,00) 15-30 25-40 15-40 20-45 37 0,425 7-19 12-24 8-20 15-30 23 0,075 2-12 2-12 2-8 5-15 12 Các chỉ tiêu cơ lý của cấp phối AB-ĐCS gần tương tự như cấp phối A-ĐCS được dẫn ở Bảng 2.11. Có 02 chỉ tiêu cao hơn A-ĐCS là chỉ số dẻo là (IP=5,34%); hàm lượng hữu cơ (0,9%); trị số CBR thấp hơn so với cấp phối AĐCS (CBR=61,40%). 2.5 Nghiên cứu cấp phối A-ĐCS và AB-ĐCS gia cố xi măng làm vật liệu trong kết cấu mặt đường ô tô 2.5.1 Tóm tắt yêu cầu và nội dung nghiên cứu 1. Thử nghiệm gia cố cấp phối AB-ĐCS với xi măng theo các tỷ lệ: 0%; 2%; 4%; 6%; 8%; 10%. 2. Thử nghiệm gia cố cấp phối A-ĐCS với xi măng theo 02 tỷ lệ thông thường 4% và 6% (dựa trên kết quả thử nghiệm từ cấp phối AB-ĐCS gia cố xi măng) dùng để so sánh với cấp phối AB-ĐCS gia cố xi măng. 3. Xác định các thông số kỹ thuật của cấp phối AB-ĐCS gia cố xi măng (tỷ lệ xi măng hợp lý) để đối chiếu với yêu cầu trong TCVN 8858:2011 và dùng trong tính toán thiết kế kết cấu áo đường thử nghiệm. 4. So sánh đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của 2 loại cấp phối A-ĐCS và AB-ĐCS cùng gia cố với tỷ lệ xi măng 4% và 6%. 2.5.2 Kế hoạch thí nghiệm 2.5.3 Chế bị mẫu và thí nghiệm 2.5.4 Kết quả thí nghiệm đối với cấp phối A-ĐCS gia cố xi măng Kết quả thí nghiệm được tổng hợp trong Bảng 2.15. Bảng 2.15: Tổng hợp kết quả trung bình thí nghiệm vật liệu A-ĐCS gia cố xi măng Hàm lượng xi măng Mẫu 4% 6% 5% Rn (Mpa) Rech (Mpa) Rn (Mpa) Rech (Mpa) Edh (Mpa) Xtb 4,26 0,51 5,71 0,60 573 S 0,13 0,02 0,29 0,05 20,23 15 Hàm lượng xi măng 4% Mẫu 6% 5% Rn (Mpa) Rech (Mpa) Rn (Mpa) Rech (Mpa) Edh (Mpa) 4,04 0,47 5,23 0,52 539,72 Xđt 2.5.5 Kết quả thí nghiệm đối với cấp phối AB-ĐCS gia cố xi măng Kết quả thí nghiệm được tổng hợp ở Bảng 2.16, Bảng 2.17 Bảng 2.16: Kết quả cường độ nén ở 14 ngày với cấp phối AB-ĐCS gia cố xi măng Cường độ nén ở 14 ngày (MPa) 2% 4% 6% 8% 2,20 3,80 5,26 6,49 0,10 0,30 0,15 0,22 2,03 3,31 5,01 6,12 Mẫu Xtb S Xđt Mẫu Bảng 2.17: Kết quả cường độ ép chẻ ở 14 ngày Và Edh cấp phối AB-ĐCS gia cố xi măng Cường độ ép chẻ ở 14 ngày (MPa) 4% 6% 8% 10% 0,41 0,52 0,61 0,70 0,04 0,04 0,03 0,03 0,35 0,46 0,57 0,65 2% 0,31 0,03 0,26 Xtb S Xđt 10% 7,45 0,27 6,99 Biểu đồ cường độ nén ở 14 ngày Rn (MPa) E đh (MPa) 6% 481 16,24 454,28 Biểu đồ cường độ ép chẻ ở 14 ngày Rech (MPa) 95% CI for the Mean 95% CI for the Mean 9 0.8 0.702222 7.44556 8 5.26111 5 3.80222 4 3.5 3 4 2.20222 0.522222 0.5 0.4 0.413333 0.45 0.4 0.35 0.306667 0.3 0.2 2 1.5 1 0 Rech (MPa) 0.6 6 3 0.612222 6.48889 7 Rn (MPa) 0.7 0.1 0.0 2 4 6 Tỷ lệ xi măng (%) Individual standard deviations are used to calculate the intervals. 8 10 2 4 6 8 10 Tỷ lệ xi măng (%) Individual standard deviations are used to calculate the intervals. Hình 2.24: Biểu đồ cường độ nén ở 14 Hình 2.25: Biểu đồ cường độ ép chẻ ngày AB-ĐCS ở 14 ngày AB-ĐCS Từ kết quả thí nghiệm, xử lý thống kê thiết lập được 2 phương trình hồi quy quan hệ giữa Rn, Rech với tỉ lệ xi măng gia cố (XM, %) 14 ngày tuổi. Rn = 1,0880 + 0,6587 XM (áp dụng cho độ tuổi 14 ngày) Rech = 0,2143 + 0,04950 XM (áp dụng cho độ tuổi 14 ngày) Phương trình này chỉ đúng điều kiện thực hiện trong phạm vi nghiên cứu của 16 luận án với lượng xi măng từ 2% đến 10%. 2.5.6 So sánh kết quả thí nghiệm Rn, Rech mẫu cấp phối A-ĐCS và AB-ĐCS gia cố xi măng với tỉ lệ 4%, 6% a/ Kết quả phân tích cường độ nén Rn b/ Kết quả phân tích cường độ ép chẻ Rech 2.5.7 So sánh kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi cấp phối A-ĐCS và AB-ĐCS gia cố xi măng 2.6 Nhận xét, kết luận chương 2 - Đất, đá bãi thải ĐCS, Cẩm Phả, Quảng Ninh là nguồn phế thải từ khai thác than có thể sử dụng trong xây dựng đường ô tô. - Đã xác định được các chỉ tiêu kỹ thuật của 2 cấp phối A-ĐCS và AB-ĐCS gia cố xi măng tỷ lệ nghiên cứu. Đã xây dựng được phương trình hồi quy cường độ nén và cường độ ép chẻ của AB-ĐCS theo tỷ lệ xi măng; - Đã chứng minh cấp phối A-ĐCS gia cố xi măng có các chỉ tiêu kỹ thuật cao hơn cấp phối AB-ĐCS gia cố cùng hàm lượng xi măng; - Cấp phối đất đá thải mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh gia cố xi măng với tỷ lệ từ 4 % trở lên có thể làm kết cấu mặt của đường GTNT với điều kiện phải có lớp láng nhựa bảo vệ phía trên; - Kiến nghị tỷ lệ xi măng hợp lý để gia cố đất, đá thải mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh từ 4% đến 6% theo khối lượng hỗn hợp; - Đề xuất phạm vi sử dụng cấp phối A-ĐCS và AB-ĐCS làm lớp móng dưới của kết cấu mặt đường ô tô theo TCN 221-06 và TCN274-01; Đề xuất phạm vi sử dụng của 2 cấp phối A-ĐCS và AB-ĐCS gia cố xi măng làm lớp móng trên của đường cấp III trở xuống hoặc lớp mặt có láng nhựa; Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG VỚI KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG SỬ DỤNG ĐẤT ĐÁ THẢI TỪ CÁC MỎ THAN KHU VỰC CẨM PHẢ, QUẢNG NINH GIA CỐ XI MĂNG 3.1 Thiết kế đoạn đường thử nghiệm hiện trường 3.1.1 Tóm tắt nội dung và những yêu cần đoạn thử nghiệm hiện trường 3.1.2 Lựa chọn vị trí, mặt bằng và các thông sô hình học đoạn đường thử nghiệm 3.1.3 Kết cấu mặt đường thử nghiệm 3.2 Nghiên cứu sản xuất vật liệu cấp phối đất, đá thải 3.2.1 Khai thác, vận chuyển và tập kết vật liệu 3.2.2 Công tác sản xuất vật liệu thử nghiệm 3.3 Thi công nền đường đoạn thử nghiệm 17 3.3.1 Vật liệu đắp nền đường 3.3.2 Xử lý nền đường trước khi đắp 3.3.3 Thi công đắp đất nền đường 3.3.4 Kết quả kiểm tra nghiệm thu nền đường Kết quả đo Edh nền đường, giá trị trung bình E0= 45,37MPa lớn hơn giá trị tối thiểu 40 MPa theo quy định. 3.4 Thi công các lớp kết cấu áo đường đoạn thử nghiệm 3.4.1 Thi công lớp móng AB-ĐCS dày 18cm 1- Công tác chuẩn bị Hình 3.9: Công tác ghép ván khuôn thi công lớp móng 2- Vận chuyển, san rải, lu lèn Dùng máy ủi san sơ bộ rồi kết hợp với máy san chuyên dụng để san gạt cấp phối. Quá trình san gạt đảm bảo độ dốc dọc 1% và độ dốc ngang 2% theo hồ sơ thiết kế. Hình 3.10: Công tác tập kết, san rải và lu lèn lớp móng dưới 3- Kết quả kiểm tra nghiệm thu - Kiểm tra kích thước hình học lớp móng đường thử nghiệm; - Kiểm tra độ chặt hiện trường được tiến hành vào cuối chu trình lu bằng phiễu rót cát theo 22TCN 346-06. Hình 3.11: Thí nghiệm kiểm tra độ chặt lớp móng dưới - Tiến hành phép đo mô đun đàn hồi theo TCVN 8861:2011 cho lớp móng đường bằng tấm ép cứng, Hình 3.12: Đo Edh tại 3 vị trí lớp móng đường thử nghiệm Hình 3.13: Sơ họa đo Edh tại 3 vị trí lớp móng đường thử nghiệm