Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của bê tông nhựa chặt ở việt nam tt

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

NGUYỄN NHƯ HẢI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT
CỦA BITUM ĐẾN MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA
BÊ TÔNG NHỰA CHẶT Ở VIỆT NAM
Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Mã số: 9580205
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng đường ô tô và đường
thành phố

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1.

Đồng Xuân Trường, Nguyễn Như Hải, Nguyễn Quang Phúc
(2018), “Nghiên cứu áp dụng mô hình Witczak cải tiến dự báo
mô đun động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam” Tạp chí giao
thông vận tải số ISSN 2354-0818, tháng 11/2018.

2.

Nguyễn Như Hải (2018), “Nghiên cứu áp dụng phương pháp mô
phỏng Monte Carlo phân tích độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng
tới mô đun động của BTNC ở Việt Nam” Hội thảo quốc tế các kỹ
sư đường bộ tại Hàn Quốc (International Conference for Road
Engineers (June 2018).

3.

Nguyễn Như Hải (2017), “Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình
hóa mô đun cắt phức và góc pha của một số loại bitum ở Việt
Nam” Tạp chí khoa học giao thông vận tải, trường ĐHGTVT HN,
số 58, tháng 6 năm 2017.

4.

Nguyễn Như Hải (2016), “Các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun phức
động của bê tông nhựa” Tạp chí giao thông vận tải, số 8, tháng 8
năm 2016

5.

Nguyễn Quang Phúc, Phạm Thanh Hà, Nguyễn Như Hải (2016),
“Lựa chọn loại nhựa đường phù hợp với điều kiện giao thông và
khí hậu trong thiết kế bê tông nhựa” Tạp chí khoa học giao thông
vận tải, trường ĐHGTVT HN, số 51, tháng 4 năm 2016.

6.

Nguyễn Như Hải, Nguyễn Quang Phúc (2015), “Ảnh hưởng của
loại bitum và chiều dày lớp bê tông nhựa tăng cường tới các đặc
tính nứt phản ánh và lún vệt bánh xe trong kết cấu mặt đường”
Tạp chí khoa học giao thông vận tải, trường ĐHGTVT HN, số 48,
tháng 10 năm 2015.

7.

Nguyễn Quang Phúc, Nguyễn Như Hải (2013), “Lựa chọn loại
nhựa đường phù hợp trong thiết kế bê tông nhựa” Tạp chí khoa
học giao thông vận tải, trường ĐHGTVT HN, số 42, tháng 06
năm 2013.

1: PGS.TS Nguyễn Quang Phúc
2: PGS .TS Vũ Đức Chính

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp
Trường tại Trường Đại học Giao thông Vận tải
vào hồi

giờ’ ngày tháng năm 2019

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Quốc gia
2. Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải


-1MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Mô đun động của BTN (Dynamic modulus of Asphalt concrete, |E*|) và
mô đun cắt động của bitum (|G*|) là hai trong số các thông số đầu vào rất
quan trọng được sử dụng để phân tích kết cấu mặt đường theo phương
pháp cơ học- thực nghiệm, còn được gọi tắt là phương pháp (ME).
Trên cơ sở các nghiên cứu thực nghiệm, Hoa Kỳ đã xây dựng được các mô
hình dự báo |E*| theo các tính chất của bitum (|G*|, góc pha và độ nhớt) và
một số thông số khác như độ rỗng dư Va, độ rỗng cốt liệu VMA, thể tích
có hiệu của bitum Vbeff…để áp dụng cho phân tích kết cấu mặt đường mềm
theo phương pháp cơ học thực nghiệm. Tuy nhiên, các mô hình dự báo
|E*| của Hoa Kỳ được thiết lập theo các điều kiện cụ thể của Hoa Kỳ trong
một số dự án nhất định, nên chỉ phù hợp với đặc thù về vật liệu, khí hậu,
... của các dự án đó.
Vì vậy để có thể áp dụng các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ vào Việt
Nam cần có các nghiên cứu thực nghiệm để hiệu chỉnh lại các hệ số trong
mô hình dự báo theo điều kiện vật liệu địa phương.
Trong phạm vi của luận án, chỉ nghiên cứu và hiệu chỉnh các hệ số cho ba
mô hình đã và đang được sử dụng trong phầm mềm thiết kế mặt đường
theo phương pháp cơ học thực nghiệm ở Hoa Kỳ gồm có:




Mô hình Witczak đầu tiên (Original Witczak Equation).
Mô hình Witczak cải tiến (Modified Witczak Equation).
Mô hình Hirsh (Hirsch model).



Kết quả nghiên cứu của luận án đã xác định được mô hình Witczak cải tiến
(sau khi đã hiệu chỉnh các hệ số trong mô hình dự báo theo điều kiện vật
liệu Việt Nam) có khả năng dự báo |E*| với độ chính xác cao nhất.
Luận án cũng đã sử dụng kỹ thuật phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng
của các yếu tố đầu vào tới giá trị của |E*| cho ba mô hình trên và cho thấy
rằng giá trị của |E*| bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi tính chất vật liệu bitum
(|G*|, góc pha, độ nhớt của bitum). Các thông số còn lại như độ rỗng dư


-2Va, độ rỗng cốt liệu VMA, độ rỗng lấp đầy nhựa VFA…. có ảnh hưởng
tới giá trị của |E*| nhưng không nhiều.
2. Tính cần thiết của luận án
Phương pháp (ME) của Hoa Kỳ là phương pháp thiết kế mặt đường rất
hiện đại, có khả năng dự báo được các dạng hư hỏng của kết cấu mặt đường
trong khai thác theo thời gian như hằn lún vệt bánh, chỉ số độ gồ ghề quốc
tế (IRI), nứt phân bố, nứt nhiệt…với yêu cầu các giá trị đầu vào rất chặt
chẽ, đặc biệt với vật liệu BTN sử dụng giá trị |E*|, với bitum (nhựa đường)
sử dụng các thông số |G*| và góc pha nên phản ánh được ứng xử của vật
liệu BTN và bitum là các vật liệu có tính đàn nhớt, do vậy kết quả phân
tích kết cấu có độ tin cậy cao. Ở Việt Nam, do vấn đề kinh phí cho công
tác nghiên cứu nên các nghiên cứu về việc áp dụng phương pháp (ME) vào
Việt Nam trong thời gian qua còn hạn chế. Với mục tiêu hướng tới áp dụng
phương pháp (ME) vào phân tích kết cấu áo đường mềm ở Việt Nam trong
tương lai, việc triển khai nghiên cứu đề tài này là cần thiết, có ý nghĩa khoa
học và thực tiễn, có tính thời sự nhằm từng bước tiếp cận công nghệ hiện
đại trong xây dựng và khai thác đường bộ.
Trong phạm vi luận án, sẽ tập trung giải quyết một phần về các vấn đề cấp
thiết để phục vụ việc áp dụng phương pháp (ME) vào điều kiện Việt Nam
trong tương lai đó là “nghiên cứu về mối quan hệ của |E*| với tính chất
của bitum” mà bản chất là (mối quan hệ |E*|- |G*|, góc pha) trên cơ sở
nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xác định mô hình dự báo |E*| phù
hợp theo điều kiện vật liệu, khí hậu địa phương.
3. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề tài là xác định được mối quan hệ tương quan
thực nghiệm giữa (|G*|, góc pha, độ nhớt) của các loại bitum (60/70, 40/50,
35/50, PMBIII) với mô đun động |E*| của hai loại BTNC (BTNC 12.5 và
BTNC 19) của Việt Nam theo các mô hình Witczak và mô hình Hirsch.
Các hệ số trong các mô hình này sẽ được hiệu chỉnh lại để các mô hình dự
báo |E*| của Hoa Kỳ có khả năng dự báo |E*| với độ chính xác cao theo
tiêu chuẩn thống kê với (R2 ≥0.9; Se/Sy ≤0.35) cho các vật liệu BTNC ở
Việt Nam. Đồng thời xác định được mô hình nào có khả năng dự báo |E*|
tốt nhất.


-34. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Việc nghiên cứu của luận án sẽ tập trung vào nghiên cứu tính chất và
vật liệu bitum và hỗn hợp BTNC ở Việt Nam. Do hạn chế về thời gian và
kinh phí, nên trong phạm vi luận án chỉ tiến hành nghiên cứu các chỉ tiêu
cơ học (|G*| và góc pha) của bitum 60/70 và có xét tới nhu cầu sử dụng vật
liệu bitum có độ quánh cao và bitum cải tiến polymer để nâng cao khả
năng kháng hằn lún vệt bánh xe và tăng độ bền và tuổi thọ của mặt đường
BTN. Cụ thể việc nghiên cứu sẽ tập chung nghiên cứu mô đun cắt động
|G*| và góc pha của các loại bitum (60/70; 35/50; 40/50; PMBIII) và mô
đun động |E*| của BTNC 12.5, BTNC19 sử dụng các loại cốt liệu được
sản xuất từ đá vôi, đá bazan, đá granit, bột khoáng được sản xuất từ đá gốc
là đá vôi. Các yêu cầu về tiêu chuẩn vật liệu và cấp phối tuân thủ theo
TCVN 8819: 2011 [2]. Điều kiện nhiệt độ lấy theo khí hậu của miền Bắc
Việt Nam.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực
nghiệm. Trong đó:




Nghiên cứu lý thuyết sẽ nghiên cứu bản chất mô đun cắt động của
bitum |G*|, mô đun động |E*| của BTN, và các yếu tố ảnh hưởng
đến |G*|, góc pha của bitum, mô đun động của BTN (|E*|) và
phương pháp xác định |G*|, góc pha δb, |E*| và cách xây dựng
đường cong chủ của |G*|, δb, |E*|. Các mối quan hệ tương quan
thực nghiệm giữa |E*| với (|G*|, góc pha δb, độ nhớt (η) của bitum
đã được công bố trên thế giới.
Nghiên cứu thực nghiệm sẽ xác định các giá trị |G*|, δb, |E*| bằng
thực nghiệm và xây dựng mối quan hệ tương quan thực nghiệm
theo các mô hình dự báo của Hoa Kỳ theo điều kiện Việt Nam.

Giá trị độ nhớt của bitum được xác định theo mối quan hệ tương quan với
|G*| và tần số góc theo quy tắc thực nghiệm Cox-Merz.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
6.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài


-4

Luận án đã phân tích được cơ sở khoa học của các thông số bê
tông nhựa sử dụng trong phương pháp cơ học thực nghiệm, đã
chứng tỏ có thể sử dụng phương pháp hiện đại này để thiết kế kết
cấu mặt đường ở Việt Nam;



Điểm mới của luận án là đã xây dựng được mối quan hệ thực
nghiệm giữa tính chất của bitum và giá trị mô đun động của BTNC
theo điều kiện của Việt Nam phục vụ việc dự báo |E*| theo |G*| và
góc pha (δ) và các chỉ tiêu thiết kế của hỗn hợp BTN để áp dụng
cho thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp (ME) ở Việt Nam
trong tương lai.

6.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài




Luận án đã đưa ra được bộ giá trị |E*| của các loại BTNC sử dụng
cốt liệu và bitum điển hình để sử dụng trong phân tích, thiết kế kết
cấu mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm ở Việt Nam.
Luận án đã xây dựng được mô hình dự báo |E*| trên cơ sở kết quả
nghiên cứu thực nghiệm của vật liệu (chất kết dính, cốt liệu) phổ
biến ở Việt Nam và có xét tới nhu cầu sử dụng bitum có độ quánh
cao và bitum cải tiến PMBIII, căn cứ vào mô hình dự báo |E*|, các
kỹ sư, các chuyên gia và cán bộ chuyên ngành có thể tham khảo
công thức này để dự báo |E*| của BTNC phục vụ mục đích nghiên
cứu hoặc thiết kế.

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT CỦA BITUM
ĐẾN MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA
1.1.2 Các tính chất của bitum
Do bitum có tính đàn nhớt và ứng xử phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian
tác dụng của tải trọng nên các tính chất của bitum gồm các chỉ tiêu vật lý
(độ kim lún, điểm hóa mềm, ….) và các chỉ tiêu cơ học (mô đun độ cứng,
mô đun cắt động của bitum |G*|).
1.2 Mô đun cắt động (Dynamic shear modulus) của bitum (|G*|)
1.2.1 Mô đun cắt động của bitum
Mô đun cắt động của bitum (|G*|) là giá trị tuyệt đối của mô đun cắt phức
của bitum, (complex shear modulus), (G*). Về bản chất là độ cứng của


-5bitum hay khả năng chống lại biến dạng của bitum dưới tác dụng của tải
trọng động hình sin, theo định nghĩa là tỷ số của giá trị tuyệt đối của ứng
suất cắt lớn nhất (τmax) và biến dạng cắt lớn nhất (γmax).
1.2.2 Phương pháp xác định mô đun cắt độngcủa bitum
Mô đun cắt độngcủa bitum (|G*|) được xác định bằng phương pháp thực
nghiệm. Hiện nay trên thế giới sử dụng hai loại thiết bị thí nghiệm để xác
định |G*| là thiết bị cắt động lưu biến DSR (Dynamic shear Rheometer)
hoặc thiết bị phân tích cơ học động (DMA) “Dynamic Mechanical
Analyzer”. Khi xác định |G*| bằng thiết bị (DMA) thì dạng thí nghiệm theo
mô hình kéo-nén áp dụng cho nhiệt độ T≤20oC và dạng cắt góc áp dụng
với T≥20oC. Hình 1.5 minh họa xác định |G*| bằng thiết bị (DMA)

Hình 1.5: Thiết bị thí nghiệm MetraviB tại IFSTAR
1.2.3 Các nghiên cứu về mô đun cắt động và góc pha của bitum
Có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới về |G*| và góc pha (δb) của bitum
thường và bitum cải tiến nhằm xác định |G*|, (δb), đánh giá chất lượng và
phân loại các loại bitum khác nhau thông qua các thông số |G*| và góc pha
(δ).


-6-

1.4

Mô đun phức động của bê tông nha
1.4.1 Mô đun phức của bê tông nhựa

Mô đun phức của BTN (E*) là số phức xác định mối quan hệ giữa ứng
suất – biến dạng đối với vật liệu đàn nhớt tuyến tính. [55], [71], [78].
Công thức xác định mô đun phức, phương trình 1.9.
 .eit
E*  io(t  )  E1  iE2
(1.9)
o
Trong đó:
σ0 - ứng suất tác dụng dọc trục lớn
nhất (maximum stress), psi(Kpa).
ε0 - biến dạng phục hồi dọc trục lớn
nhất (maximum strain), in/in(m/m).
δ - Góc pha (độ), ω – Vận tốc góc, và
t- Thời gian, (s).
Hình 1.17: Sự trễ pha của biến
dạng so với ứng suất, [51]
1.4.2 Mô đun động của bê tông nhựa
Mô đun động của BTN là giá trị tuyệt đối của mô đun phức, ký hiệu |E*|.
Công thức xác định mô đun động |E*| như phương trình (1.10).
(1.10)
Trong đó: σ0 và ε0 lần lượt là ứng suất dọc trục lớn nhất và biến dạng
phục hồi dọc trục lớn nhất và được minh họa trong Hình 1.17.


-71.4.3 Phương pháp xác định mô đun động của bê tông nhựa
Mô đun động của BTN được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. Để
có thể xác định được |E*| ở nhiệt độ, tần số bất kỳ, cần phải xây dựng đường
cong chủ của |E*| trên cơ sở các dữ liệu thực nghiệm đã biết với nguyên lý
xây dựng đường cong chủ như hình

Hình 1.21: Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |E*| [24]
1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động của bê tông nhựa
Giá trị của |E*| bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố, tuy nhiên các nghiên
cứu trên thế giới cho thấy giá trị của |E*| bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi các
giá trị |G*|, góc pha (δ) và độ nhớt của bitum, ví dụ

Hình 1.29: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*|
trong mô hình Witczak cải tiến [61]

Hình 1.30: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*|
trong mô hình Hirsch [61]

1.6 Mối quan hệ giữa tính chất của bitum với đun động của bê tông
nhựa
1.6.1 Các nghiên cứu trên thế giới về ảnh hưởng tính chất của bitum
đến mô đun động của bê tông nhựa
Mối quan hệ giữa tính chất của bitum với mô đun động được nghiên cứu
nhiều trên thế giới, trong đó các nghiên cứu có độ chính xác cao và được
ứng dụng vào thực tiễn là các mô hình Witczak và mô hình Hirsch của Hoa
Kỳ.


-8 Mô hình Witczak truyền thống (Traditional Witczak E* predictive
model)
Phương trình dự báo mô đun động của BTN có dạng:
|E*| = f(P200, P4, P3/8 , P3/4 , Va,Vbeff, f, η(loại bitum,nhiệt độ)
(1.12)
Trong đó:
|E*|- Mô đun động của BTN, (psi).
P200 – Phần trăm hạt lọt qua sàng số 200.
P4, P3/8 và P3/4 lần lượt là phần trăm hạt giữ lại trên sàng số 4, số 3/8in
(9.56mm) và trên sàng số 3/4 (in) (19.01mm).
Va – Phần trăm độ rỗng dư của hỗn hợp BTN (theo thể tích).
Vbeff – Phần trăm hàm lượng nhựa có hiệu (có ích) của BTN theo thể tích.
f – Tần số tác dụng của tải trọng, (Hz). Tần số f trong thí nghiệm |E*| có
quan hệ với tần số fc (thí nghiệm |G*|) theo phương trình 1.13 (f=2πfc).
và (η) - Độ nhớt của bitum tại nhiệt độ tính toán (106 Poise/105 Pas).
 Mô hình Witczak cải tiến
Mô hình Witczak cải tiến được Bari và Witczak phát triển năm 2006
Phương trình dự báo |E*| (Phương trình 1.14).
|E*| = f(P200, P4, P3/4 ,P3/8 ,Va,Vbeff, f, |G*|, δb)
(1.14)
2
Với |G*| – Mô đun cắt động của bitum (Pound/in ), và
δb – Góc pha của bitum xác định cùng với |G*|, độ. Các ký hiệu khác có ý
nghĩa như trong phương trình 1.12.
 Mô hình Hirsch (Hirsch Model)
Mô hình Hirsh là mô hình dự báo |E*| bán thực nghiệm trên cơ sở lý thuyết
vật liệu hỗn hợp bao gồm các phần tử chuỗi và song song của các pha khác
nhau. Phương trình dự báo |E*| và góc pha của BTN là hàm của đặc trưng
thể tích và mô đun cắt độngcủa bitum theo dạng sau.
(|E*| và δ) = f(VMA, VFA,|G*|)
(1.15)
Trong đó:
|E*| – Mô đun động của BTN (psi).
Pc – Hệ số tiếp xúc cốt liệu; δ – Góc pha của hỗn hợp BTN.
|G*|, mô đun động của bitum, (psi).
VFA- độ rỗng lấp đầy nhựa, (%), và VMA- Độ rỗng cốt liệu, (%).
1.6.2 Các nghiên cứu đã thực hiện ở Việt Nam về ảnh hưởng của loại
bitum tới mô đun phức động của bê tông nhựa


-9Ở Việt Nam do điều kiện về kinh phí cho công tác nghiên cứu, nên các
nghiên cứu cụ thể về mô đun cắt động của bitum |G*| và mô đun động của
BTNC còn rất hạn chế và chỉ ở phạm vi rất hẹp.
1.7 Ảnh hưởng của mô đun động của bê tông nhựa tới đặc trưng
khai thác của mặt đường mềm
Kỹ thuật phân tích độ nhạy đã được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của
|E*| tới đặc trưng khai thác của mặt đường ở Hoa Kỳ đã cho thấy rằng |E*|
ảnh hưởng rất lớn tới các đặc trưng khai thác của mặt đường mềm gồm nứt
phân bố, hằn lún vệt bánh ở mức độ nhạy cao và với chỉ số độ gồ ghề (IRI)
với mức độ “rất nhạy”.
1.8 Những vấn đề cần giải quyết trong luận án
Các nghiên cứu về |G*| và |E*| ở Việt Nam tới hiện tại còn mới và có rất
ít, chỉ dừn ở phạm vi nghiên cứu của đề tài thạc sĩ, hoặc một số công trình
khoa học nhỏ, không đủ cơ sở dữ liệu để phân tích thống kê và đánh giá
cũng như xây dựng mối quan hệ tương quan thực nghiệm giữa |E*| và |G*|.
Do vậy, việc thực hiện các nghiên cứu sâu và cụ thể về |G*| của các loại
bitum và |E*| của các loại BTNC ở Việt Nam để hiệu chỉnh các phương
trình dự báo |E*| theo điều kiện cụ thể của Việt Nam là rất cần thiết.
1.8.3 Nội dung nghiên cứu
Để giải quyết các vấn đề còn tồn tại, nội dung nghiên cứu của luận án gồm
có:
- Nghiên cứu lý thuyết về bản chất |G*|, góc pha (δ), độ nhớt, |E*|
và mối quan hệ thực nghiệm giữa (|G*|, góc pha (δ), độ nhớt) của
bitum với |E*| theo các mô hình Witczak và mô hình Hirsch.
- Nghiên cứu thực nghiệm (xác định|G*|, góc pha (δ), độ nhớt của
bitum (60/70; 40/50;35/50 và PMBIII), xác định |E*| của BTNC
12.5 và BTNC 19. Xây dựng các mối quan hệ |E*| - (|G*|, góc pha
(δ), độ nhớt) của các loại bitum theo điều kiện Việt Nam
Chương 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MÔ
HÌNH 2S2P1D ĐỂ XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG CHỦ CỦA MÔ ĐUN CẮT
ĐỘNGVÀ GÓC PHA CỦA MỘT SỐ LOẠI BITUM Ở VIỆT NAM
Nội dung của chương 2 là xác định được các thông số trong mô hình
2S2P1D trên cơ sở các kết quả thực nghiệm (|G*|, góc pha của các loại


- 10 bitum 60/70; 40/50; 35/50 và PMBIII), xây dựng các đường cong chủ của
|G*|, góc pha (δ) của các loại bitum phục vụ nghiên cứu tương quan thực
nghiệm |E*| - (|G*|, góc pha (δ), độ nhớt) trong chương 3.
2.1 Lựa chọn vật liệu bitum
4 loại bitum (60/70; 40/50; 35/50 và PMBIII) được lựa chọn để nghiên
cứu. Các chỉ tiêu vật lý của bitum được thực hiện phòng thí nghiệm kiểm
định trọng điểm trường Đại học GTVT (LAS XD 1256).
2.3 Xác định mô đun cắt động và góc pha của bitum
Mô đun cắt động |G*| và góc pha của bitum được xác định tại phòng thí
nghiệm kết cấu hạ tầng giao thông Cộng Hòa Pháp (IFSTAR) với thiết bị
phân tích cơ học động (DMA).
2.3.2 Xác định các thông số thí nghiệm
Các thông số thí nghiệm gồm có nhiệt độ, tần số, độ lớn của tải trọng tác
dụng.
2.3.2.1 Nhiệt độ thí nghiệm
Giá trị nhiệt độ với bitum thường thấp nhất từ (-9.9oC - 50oC) với bitum
60/70 và từ (-9.9oC - 60oC) với bitum 40/50 và bitum 35/50. Với Bitum
PMBIII từ (-19.9oC - 80oC).
2.3.2.2 Tần số thí nghiệm
Tần số thí nghiệm từ 1 Hz- 80 Hz.
2.3.2.3 Độ lớn của tải trọng tác dụng
Độ lớn của tải trọng được kiểm soát để sao cho chuyển vị của mẫu trong
miền biến dạng nhỏ.
2.4.2 Xây dựng đường cong chủ của mô đun cắt động và góc pha cho
các loại bitum ở Việt Nam theo mô hình 2S2P1D
2.4.2.1 Xác định các thông số trong mô hình 2S2P1D
Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm, sử dụng phương pháp bình phương
tối thiểu sẽ xác định được các thông số của mô hình 2S2P1D tại các nhiệt
độ khác nhau. Kết quả phân tích thống kê cho thấy mô hình 2S2P1D mô
phỏng rất tốt giá trị |G*| và góc pha của các loại bitum với các chỉ tiêu
thống kê (R2 ≥0.999, Se/Sy≤0.05) với |G*| và (R2 ≥0.99, Se/Sy≤0.138) với
góc pha.


- 11 2.4.2.4 So sánh các loại bitum với nhau trên cơ sở kết quả nghiên cứu thực
nghiệm và mô hình 2S2P1D đã xây dựng (Hình 2.14 và hình 2.15)



Mô hình 2S2P1D mô phỏng rất tốt ứng xử đàn nhớt của vật liệu
bitum


- 12 

Ở phạm vi tần số <10 Hz. Khi tần số giảm, các loại bitum thường
có giá trị |G*| giảm dần tới giá trị nhỏ nhất (G00 =0 Kpa), và góc
pha tăng dần tiệp cận tới 90o, còn với bitum PMBIII, giá trị |G*|
giảm dần tới giá trị nhỏ nhất (G00 =0.3 Kpa), nhưng góc pha lại có
xu hướng giảm theo xu hướng của tần số. Điều này do ảnh hưởng
của chất phụ gia trong bitum PMBIII làm tăng tính đàn hồi của vật
liệu bitum.

Chương 3: NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ THỰC NGHIỆM GIỮA MÔ
ĐUN CẮT ĐỘNG CỦA BITUM VÀ MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG
NHỰA CHẶT Ở VIỆT NAM
Mục đích chương 3 là xây dựng được mối quan hệ giữa (|G*|, η, δ) với giá
trị mô đun động |E*| của BTN trên cơ sở các mô hình dự báo |E*| của Hoa
Kỳ (các mô hình Witczak, mô hình Hirsch) và các kết quả nghiên cứu thực
nghiệm về |E*| của BTNC 12.5 và BTNC 19 ở Việt Nam.
3.1 Lựa chọn vật liệu, cấp phối và thiết kế bê tông nhựa
4 loại vật liệu bitum (60/70; 40/50; 35/50 và PMBIII), ba loại đá (vôi,
bazan, granit), bột khoáng là đá vôi của mỏ gọng vối và 6 cấp phối theo
TCVN 8819: 2011 (3 cấp phối cho BTNC 12.5 và 3 cấp phối cho BTNC
19). Chi tiết các cấp phối sử dụng trong luận án như bảng 3.5. Phương
pháp thiết kế BTN là phương pháp Marshall.


- 13 3.2 Thiết kế quy hoạch thí nghiệm
Việc thiết kế mẫu theo phương pháp Taguchi với 36 tổ mẫu theo quy hoạch
mẫu và hai tổ mẫu thiết kế kiểm chứng, tổng cộng có 38 tổ mẫu cho nghiên
cứu thực nghiệm.

3.3 Phân tích độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động của
bê tông nhựa
Sử dụng phương pháp phân tích độ nhạy tổng thể với sự trợ giúp của phần
mềm Orcral Crystal Ball để phân tích độ nhạy cho các mô hình Witczak
và mô hình Hirsch. Kết quả phân tích độ nhạy cho thấy |G*|, góc pha, độ
nhớt của bitum có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị |E*|, các yếu tố còn lại
có ảnh hưởng nhưng rất ít.


- 14 -

Từ các hình 3.8- 3.10 cho thấy
loại bitum có ảnh hưởng nhiều
nhất tới giá trị của |E*|, các thông
số khác ảnh hưởng tới |E*| không
nhiều.
Lý do là bitum là vật liệu đàn
nhớt, giá trị |G*| ở nhiệt độ thấp
(≤0) so với |G*| ở nhiệt đô cao
(50oC) thay đổi hàng nghìn lần.

3.4 Nghiên cứu thực nghiệm xác định mô động và đề xuất các hệ số
của mô hình dự báo mô đun động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam
3.4.1.1 Chuẩn bị vật liệu, thiết bị và đúc mẫu phục vụ công tác thí
nghiệm mô đun động của các loại bê tông nhựa
Đúc các mẫu bitum theo quy hoạch mẫu với các hàm lượng bitum khác
nhau như các bảng (3.9 và bảng 3.10). Thiết bị thí nghiệm là thiết bị của
CRT-UTM-NU của phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng của trường
ĐHGTVT, thiết bị này đã được kiểm định và có khả năng thực hiện các
thí nghiệm liên quan tới BTN theo các tiêu chuẩn AASHTO TP-62/TP 79,
EN 12697-25/26, ASTM D7369/D4123/D349. Trong luận án sử dụng tiêu
chuẩn thí nghiệm |E*| theo AASHTO TP 62. Các nhiệt độ trong thí nghiệm
là (10oC, 25oC, 40oC và 55oC). Số chu kỳ và tần số trong thí nghiệm |E*|
như bảng 3.14


- 15 -

3.5.
Xây dựng đường cong chủ (Master curve) của |E*|
Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm sẽ xác định được các thông số của
đường cho chủ của |E*| cho các mẫu BTNC khác nhau.
Từ các thông số của đường cong chủ xác định được các giá trị |E*| ở các
mức nhiệt độ (-5oC, 10oC, 30oC, 40oC và 60oC). Các giá trị |E*| này có thể
coi như |E*| thực nghiệm vì các thông số thống kê có các giá trị hệ số xác
định R2 ≥0.976 và tỷ số Se/Sy ≤0.18. Hình 3.16 là đường cong chủ của
BTNC 12.5 với nhiệt độ tham chiếu 10oC

Hình 3.16: Đường cong chủ của |E*| (BTNC 12.5, nhiệt độ tham chiếu
là 10oC)
3.6.

Phương trình dự báo mô đun động cho bê tông nhựa chặt ở
Việt Nam

Căn cứ vào các kết quả nghiên cứu thực nghiệm ở chương 2 và chương 3,
tiến hành xác định các giá trị |G*|, góc pha, độ nhớt của bitum theo mô
hình 2S2P1D ở các mức nhiệt độ và tần số trong bảng 3.17. Trong đó,


- 16 f(Hz) là tần số trong thí nghiệm |E*| có quan hệ với tần số fc trong thí
nghiệm |G*| như nêu ở mục 1.6 (f=2πfc).

Trên cơ sở các kết quả |G*|, góc pha, độ nhớt của bitum và các giá trị |E*|
xác định theo bảng 3.17. Thiết lập mối quan hệ |E*| với |G*|, góc pha, độ
nhớt, độ rỗng dư Va, độ rỗng cốt liệu VMA, độ rỗng lấp đầy nhựa VFA,
cấp phối hạt … theo các mô hình Witczak và mô hình Hirsch, xác định
được các hệ số trong các mô hình dự báo |E*| theo điều kiện Việt Nam như
các bảng 3.18 –bảng 3.20.
Dấu của các hệ số trong các mô hình không thay đổi so với mô hình ban
đầu.

Từ các hệ số trong các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ đã đã hiệu chỉnh
theo điều kiện vật liệu của Việt Nam tổng hợp trong các bảng 3.18 – bảng
3.20. Các dạng phương trình dự báo |E*| của BTNC ở Việt Nam như sau:


- 17 3.6.1.1. Dự báo mô đun động cho BTNC ở Việt Nam theo mô hình Witczak
ban đầu
Phương trình dự báo |E*| của BTNC theo mô hình Witczak ban đầu sau
khi đã hiệu chỉnh các hệ số theo điều kiện của Việt Nam như phương trình
3.4.
Log | E* | 3.462  0.156 P200  0.0109(P200 ) 2  0.00001P4  0.0072Va


2.88  0.0054 P4  0.0055P3/8  0.000055(P3/8 ) 2  0.0155P3/ 4
1  e( 0.478 0.39 log(f)  0.442 log( ))

(3.4)

3.6.1.2. Dự báo mô đun động cho BTNC ở Việt Nam theo mô hình Witczak
cải tiến
Phương trình dự báo |E*| của BTNC theo mô hình Witczak cải tiến sau khi
đã hiệu chỉnh các hệ số theo điều kiện vật liệu của Việt Nam có dạng
phương như phương trình 3.5.




2
7.174  0.00062 P200  0.0015( P200 )  0.00825P4 


log E*  0.124  0.6242(| G* |0.013 ) x  0.00019(P4 ) 2  0.0123P3/8



 Vbeff 
 0.002Va  1.3932 


 Va  V 


beff 

 Vbeff 
2.288  0.00882Va  1.2812 
 0.0024 P3/8  0.0025P3/4
 Va  V 
beff 


1  e( 0.580.489log|G*|0.483log b )

3.6.1.3. Dự báo mô đun động cho BTNC ở Việt Nam theo mô hình Hirsch
Phương trình dự báo |E*| của BTNC theo mô hình Hirsch sau khi đã hiệu
chỉnh lại các hệ số theo điều kiện vật liệu của Việt Nam có dạng phương
như phương trình 3.6. Hệ số tiếp xúc cốt liệu Pc theo phương trình 3.7.

VMA 
(3.6)

 VFA.VMA  
| E* | Pc 4200000 1 
 3| G * |


100 

( 1  Pc )

1  VMA / 100  
VMA
4200000
3.| G b* | .VFA



b




10000




(3.5)


- 18 0.419

126.464 + 3(| G b * | .VFA) 


VMA

Pc  
0.419
 3(| G b * | .VFA) 
104.627  

VMA



(3.7)

Chương 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ
TÔNG NHỰA CHẶT TỚI ĐẶC TRƯNG KHAI THÁC CỦA KẾT CẤU
MẶT ĐƯỜNG MỀM Ở VIỆT NAM
Mục đích chương 4 là ứng dụng các kết quả nghiên cứu thực nghiệm để
phân tích một số phương án kết cấu áo đường mềm ở Việt Nam theo
phương pháp (ME).
4.2.2 Các thông số đầu vào sử dụng để phân tích ứng xử của kết cấu theo
phương pháp cơ học thực nghiệm một dự án tại Hải Phòng
 Dữ liệu giao thông
Các dữ liệu giao thông được lấy theo dữ liệu điều tra giao thông của giai
đoạn thiết kế kỹ thuật, có lượng giao thông thiết kế trong năm đầu khai
thác là 4403 xe/2 làn xe (tính cho hai hướng thiết kế). Phần trăm xe tải
trong làn thiết kế là 80% và vận tốc thiết kế là 37.3mph.
Sự phân bố theo nhóm các phương tiện và các hệ số điều chỉnh lưu lượng
giao thông theo giá trị mặc định của phương pháp (ME).

Khí hậu
Do phạm vi Hải Phòng và Hà Nội khá gần nhau, không có sự khác nhau
nhiều giữa khí hậu của Hà Nội và Hải Phòng, nên sử dụng khí hậu của Hà
Nội để phân tích kết cấu mặt đường theo (ME).
Bảng 4.3: Thông tin khí hậu của một số khu vực đại diện ở Việt Nam
Số liệu thống kê hàng năm
Hà Nội
Nhiệt độ không khí trung bình hàng năm (ºF)
74.89
Lượng mưa trung bình hàng năm (in)
85.17
Chỉ số đóng băng (Freezing index ºF - days)
0.00
Số chu kỳ đóng băng và tan băng
0.00

Vật liệu


- 19 Các vật liệu đất nền K98, cấp phối đá dăm lấy theo các số liệu của dự án
tại Hải Phòng, vật liệu BTNC sử dụng kết quả các giá trị mô đun đã nghiên
cứu ở Chương 3.
Ghi chú
-

-

-

Hình 4.3: Phương án bố trí kết cấu mặt đường

BTNC 12.5 và BTNC19
sử dụng các loại bitum
khác nhau (PMBIII,
60/70,40/50).
Lớp móng giá cố bitum
(ATB) có cỡ hạt danh
định lớn Dmax =25cm,
sử dụng bitum 60/70.
Kết cấu mặt đường của
dự án tại Hải Phòng sử
dụng bitum 60/70 và
không có lớp ATB.

Để đánh giá ảnh hưởng của |E*| tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt
đường. Các phương án kết cấu mặt đường khác nhau được lựa chọn như
bảng 4.4.
Bảng 4.4: Các phương án kết cấu mặt đường khác nhau,

Tổng hợp kết quả phân tích ứng xử của các phương án kết cấu mặt đường
trong năm cuối của thời kỳ khai thác (15 năm) như bảng sau:


- 20 -

Kết quả phân tích cho thấy, chỉ tiêu hằn lún vệt bánh khó đạt nhất. Kết cấu
1 sử dụng bitum PMBIII (cả lớp trên và lớp dưới), có dự báo hằn lún bé
nhất. Kết cấu 3 sử dụng bitum PMBIII (BTNC 12.5) và sử dụng bitum
40/50 (BTNC 19) có dự báo hằn lún bé hơn kết cấu 2 (BTNC 12.5 dùng
bitum PMBIII, BTNC 19 dùng bitum 60/70). Các phương án còn lại sử
dụng bitum thường có dự báo hằn lún và độ gồ ghề IRI sau 15 năm lớn
hơn. Để kết cấu đạt yêu cầu, cần điều chỉnh chiều dày các lớp kết cấu cho
phù hợp. Chọn hai giải pháp điều chỉnh chiều dày các lớp kết cấu như bảng
4.12. Phân tích lại được các kết quả ứng xử của mặt đường như Hình 4.11Hình 4.14)

Bảng 4.12: Phương án kết cấu điều chỉnh
Vật liệu
BTNC12.5
BTNC 19
ATB
CPDD1
CPDD2
Nền đất K98

Chiều
dày
(cm)

Loại bitum sử dụng cho các lớp
BTNC
Kết cấu 1(ĐC)

Kết cấu 3(ĐC)

6
8
15(16)
18
35
30cm

Bitum PMBIII
Bitum PMBIII
Bitum 60/70

Bitum PMBIII
Bitum 40/50
Bitum 60/70

Ghi chú

Giá trị trong ngoặc
(16cm) là chiều dày
lớp ATB của kết
cấu 3 điều chỉnh


- 21 -

Kết quả phân tích kết cấu mặt đường theo phương pháp (ME) cũng cho
thấy chỉ tiêu hằn lún vệt bánh khó đạt nhất, sau đó là chỉ tiêu độ gồ ghề
quốc tế (IRI), nứt phân bố và nứt nhiệt.
Với điều kiện khí hậu của Việt Nan, ảnh hưởng nứt nhiệt là không đáng
kể.
Kết cấu mặt đường sử dụng bitum PMBIII, có giá trị |E*| ở nhiệt độ cao
lớn hơn các BTNC sử dụng các loại bitum khác, chứng tỏ |E*| có ảnh
hưởng tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt đường, trong đó ảnh hưởng
nhiều nhất là chỉ tiêu hằn lún vệt bánh.


- 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Những đóng góp về mặt khoa học
1.1
Đã thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật theo cấp đặc tính khai
thác PG của 4 loại bitum đã và sẽ được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam, đó
là 3 loại bitum phân theo độ kim lún 60/70; 40/50; 35/50 và một loại bitum
cải tiến polymer PMBIII. Mô hình 2S2P1D xây dựng đường cong chủ của
4 loại bi tum phục vụ phân tích, thiết kế kết cấu áo đường mềm theo
phương pháp cơ học thực nghiệm.
1.2
Xác định được các chỉ tiêu kỹ thuật của 2 loại BTN (BTNC19,
BTNC12.5) sử dụng 3 loại đá điển hình (đá vôi, đá bazan và đá granit), 4
loại bitum (60/70, 40/50,35/50, PMBIII) phục vụ phân tích kết cấu áo
đường theo phương pháp cơ học-thực nghiệm.
1.3
Luận án đã bước đầu xây dựng được phương trình tương quan thực
nghiệm giữa loại bitum (|G*|, η, góc pha) với mô đun động của BTNC
(|E*|) theo các mô hình dự báo của Hoa Kỳ theo điều kiện Việt Nam với
độ chính xác cao theo các chỉ tiêu thống kê (R2 ≥0.91 và tỷ số Se/Sy<0.299.
Trong đó phương trình dự báo |E*| theo mô hình Witczak cải tiến có khả
năng dự báo |E*| tốt nhất (R2 ≥0.9432 và tỷ số Se/Sy<0.240).
2. Những đóng góp về mặt thực tiễn
 Phương trình tương quan thực nghiệm giữa loại bitum và mô đun
động của BTNC theo điều kiện Việt Nam (phương trình 3.4 – 3.6) sẽ
giúp áp dụng phương pháp (ME) để phân tích kết cấu áo đường ở
Việt Nam trong tương lai thuận tiện hơn, tiết kiệm được thời gian và
kinh phí cho công tác thí nghiệm xác định |E*|.
 Biết được loại bitum có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị của |E*| và
biết được ảnh hưởng của |E*| tới đặc trưng khai thác của mặt đường
mềm sẽ giúp cho công tác quản lý chất lượng tập trung vào những
khâu quan trọng nhất trong kiểm soát chất lượng vật liệu, các lưu ý
trong khâu thiết kế từ đó sẽ giúp cho nâng cao chất lượng công trình.
3. Hạn chế
3.1.
Ở Việt Nam có ba loại bitum cải tiến polymer, nhưng do điều kiện
kinh phí và hạn chế với thời gian, nên phạm vi luận án mới chỉ nghiên cứu
được một loại (biutm PMBIII), ngoài ra trong các thiết kế BTN, có thể có
một số loại phụ gia khác có thể được sử dụng để cải thiện đặc tính của vật


- 23 liệu BTN, do vậy, cần có thêm các nghiên cứu khác về ảnh hưởng của các
loại bitum polymer (PMBI, PMBII) hay các các loại bitum sử dụng các
loại phụ gia khác với |E*| của các loại BTNC sử dụng các loại bitum đó để
xây dựng các phương trình tương quan thực nghiệm phù hợp trong các
trường hợp cụ thể
3.2.
Trong phân tích kết cấu thực nghiệm theo (ME), luận án vẫn sử
dụng các hệ số trong các phương trình hư hỏng mặc định theo điều kiện
của Hoa Kỳ, chưa có điều kiện để kiểm định và hiệu chỉnh lại theo điều
kiện cụ thể ở Việt Nam.
Kiến nghị
4.1.
Cần lựa chọn loại titum phù hợp với điều kiện khí hậu và giao
thông trong thiết kế BTNC để tăng giá trị |E*|, từ đó hạn chế dạng hư hỏng
hằn lún vệt bánh.
4.2.
Kiến nghị áp dụng mô hình Witczak cải tiến (phương trình 3.5) để
dự báo |E*| cho các vật liệu BTNC ở Việt Nam, vì mô hình này có kết quả
dự báo |E*| với độ chính xác cao nhất (hệ số xác định R2 lớn nhất, tỷ số
Se/Sy nhỏ nhất). Trong trường hợp hỗn hợp BTNC sử dụng các loại bitum
cải tiến polymer khác (PMBI, PMBII) hay hỗn hợp BTNC có sử dụng các
loại phụ gia khác mà cần xác định giá trị |E*| thì cần phải xác định |E*|
bằng thực nghiệm, và không áp dụng các mô hình dự báo trên.
Khi có thêm cơ sở dữ liệu về |G*|, góc pha, độ nhớt của các loại bitum
(60/70; 40/50; PMBIII và bitum 35/50) và các kết quả |E*| của các loại
BTNC sử dụng các loại bitum tương ứng ở Việt Nam thì cần cập nhật thêm
vào cơ sở dữ liệu để kiểm định và cập nhật các hệ số trong các mô hình dự
báo cho các phương trình (3.4 – 3. 6).
4.3.
Cần nghiên cứu để xác định lại các hệ số trong các phương trình
dự báo hư hỏng của mặt đường theo phương pháp (ME) để có thể áp dụng
phương pháp (ME) vào Việt Nam trong tương lai.
4.4
Để đảm bảo chất lượng mặt đường BTN, cần kiểm soát tốt chất
lượng từ công tác thiết kế tới công tác thi công. Trong công tác thiết kế kết
cấu mặt đường cần lựa chọn chiều dày các lớp vật liệu phù hợp, loại bitum,
cấp phối… đảm bảo khả năng kháng hằn lún tốt. Trong công tác thi công
phải đảm bảo hỗn hợp BTN được sản xuât đúng với cấp phối đã được phê
duyệt, mẫu khoan hiện trường phải đảm bảo độ chặt, độ rỗng dư phù hợp
và đạt yêu cầu về tiêu chuẩn hằn lún theo quy định (<12.5mm).


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×