Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, 5 – 2019


i

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................. viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................... xiii
PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1
1


Đặt vấn đề ............................................................................................................ 1

2

Tính cần thiết của luận án ................................................................................... 2

3

Mục đích nghiên cứu ........................................................................................... 3

4

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 3

5

Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 4

5.1 Nghiên cứu lý thuyết ............................................................................................ 4
5.2 Nghiên cứu thực nghiệm ...................................................................................... 4
6

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài............................................................. 4

6.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài ................................................................................ 4
6.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................................................. 5
7

Cấu trúc của luận án ........................................................................................... 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT CỦA BITUM ĐẾN
MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA............................................................. 7
1.1 Bitum và tính chất của bitum ............................................................................... 7
1.1.1 Bitum

7

1.1.2 Các tính chất của bitum .................................................................................. 8
1.2 Mô đun cắt động (Dynamic shear modulus) của bitum (|G*|)............................ 9
1.2.1 Mô đun cắt động của bitum ................................................................................. 9
1.2.2 Phương pháp xác định mô đun cắt độngcủa bitum ............................................. 9
1.2.2.1

Xác định |G*| bằng thiết bị DSR ..................................................... 9

1.2.2.2

Xác định |G*| bằng thiết bị DMA .................................................. 11

1.2.3 Các nghiên cứu về mô đun cắt động và góc pha của bitum .............................. 14
1.2.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới về mô đun cắt động và góc pha của bitum .... 14
1.2.3.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam về tính chất của bitum ..................................... 16
1.2.4 Các mô hình xây dựng đường cong chủ (Master curve) của mô đun cắt động và
góc pha (δb) của bitum ............................................................................................... 17


ii
1.2.5 Phương pháp và nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha
(δb) 17
1.3 Bê tông nhựa ...................................................................................................... 18
1.4 Mô đun phức động của bê tông nhựa ................................................................ 19
1.4.1 Mô đun phức của bê tông nhựa .................................................................... 19
1.4.2 Mô đun động của bê tông nhựa .................................................................... 20
1.4.3 Phương pháp xác định mô đun động của bê tông nhựa................................ 20
1.4.4 Xây dựng đường cong Master curve của mô đun động ................................ 21
1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động của bê tông nhựa ............................... 22
1.5.1 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu bitum ............................................................ 23
1.5.2 Ảnh hưởng của các yếu tố khác ......................................................................... 24
1.5.2.1 Ảnh hưởng của bột khoáng, vôi thủy hóa, thành phần hạt, hình dạng hạt và
độ góc cạnh giá trị độ rỗng dư của hỗn hợp.............................................................. 24
1.5.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số tác dụng của tải trọng tới mô đun động 24
1.6 Mối quan hệ giữa tính chất của bitum với đun động của bê tông nhựa ........... 25
1.6.1 Các nghiên cứu trên thế giới về ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động
của bê tông nhựa ........................................................................................................ 25
1.6.1.1 Các nghiên cứu của tập đoàn Shell .............................................................. 25
1.6.1.2 Nghiên cứu của viện Asphalt Hoa Kỳ (Asphalt Institute method) ................ 25
1.6.1.3 Các nghiên cứu khác đã thực hiện ở Hoa Kỳ ............................................... 26
1.6.1.4 Phân tích độ nhạy cho mô hình dự báo |E*| của đại học Dhofar (Dhofar
University, Salalah, Oman) ........................................................................................ 28
1.6.1.5 Các nghiên cứu ở Úc về ảnh hưởng của tính chất bitum đến mô đun động của
bê tông nhựa |E*| ....................................................................................................... 29
1.6.1.6 Nghiên cứu về ảnh hưởng của loại bitum tới mô đun động của bê tông nhựa
ở Hàn Quốc ................................................................................................................ 30
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 ............................................................................... 32
1.7 Ảnh hưởng của mô đun động của bê tông nhựa tới đặc trưng khai thác của mặt
đường mềm ................................................................................................................. 33
1.8 Những vấn đề cần giải quyết trong luận án ...................................................... 33


iii
1.8.1 Các vấn đề tồn tại cần giải quyết ................................................................. 33
1.8.2 Phương pháp nghiên cứu để đạt được mục tiêu ........................................... 34
1.8.2.1

Các nghiên cứu lý thuyết liên quan tới mô đun cắt động của bitum

và mô đun động của bê tông nhựa .......................................................................... 34
1.8.2.2

Nghiên cứu thực nghiệm ................................................................ 35

1.8.2.3

Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án để phân tích một số

phương án kết cấu mặt đường ở Việt Nam theo phương pháp cơ học thực
nghiệm

35

1.8.3 Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 35
1.8.3.1

Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa mô đun cắt độngcủa các

loại bitum ở Việt Nam ............................................................................................. 35
1.8.3.2

Nghiên cứu mối quan hệ giữa mô đun cắt động của bitum và mô đun

động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam. ................................................................ 36
1.8.3.3

Nghiên cứu ảnh hưởng mô đun động của bê tông nhựa chặt tới đặc

trưng khai thác của mặt đường mềm ở Việt Nam ................................................... 36
Kết Luận chương 1 ..................................................................................................... 38
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MÔ
HÌNH 2S2P1D ĐỂ XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG CHỦ CỦA MÔ ĐUN CẮT
ĐỘNG VÀ GÓC PHA CỦA MỘT SỐ LOẠI BITUM Ở VIỆT NAM .................. 39
2.1. Lựa chọn vật liệu bitum ..................................................................................... 40
2.2. Xác định các chỉ tiêu vật lý của vật liệu bitum .................................................. 41
2.3. Xác định mô đun cắt độngvà góc pha của bitum .............................................. 42
2.3.1 Lựa chọn thiết bị thí nghiệm ......................................................................... 42
2.3.2 Xác định các thông số thí nghiệm................................................................. 43
2.3.2.1

Nhiệt độ thí nghiệm: ...................................................................... 43

2.3.2.2

Tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm ............................ 44

2.3.2.3

Kiểm soát biến dạng trong thí nghiệm. ......................................... 45

2.4. Xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb) của các loại bitum .......... 45
2.4.1 Xác định mô hình để xây dựng các đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb)
của các loại bitum ................................................................................................... 45
2.4.1.1

Nhóm các mô hình toán học .......................................................... 45


iv
2.4.1.2

Nhóm các mô hình cơ học ............................................................. 46

Mô hình Huet ................................................................................................ 48
Mô hình Huet-Sayegh ................................................................................... 48
Mô hình 2S2P1D .......................................................................................... 49
2.4.1.3

Lựa chọn mô hình để xây dựng Master curve (đường cong chủ) . 50

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 .......................................................................... 50
2.4.2.1

Xác định các thông số của mô hình 2S2P1D ................................ 50

2.4.2.2

Đánh giá chất lượng của mô hình dự báo ..................................... 51

2.4.2.3

Xây dựng đường cong chủ của mô đun cắt động và góc pha cho các

loại bitum ở Việt Nam theo mô hình 2S2P1D ......................................................... 53
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 ............................................................... 54
2.4.3 Đánh giá mác bitum theo tiêu chuẩn AASHTO M320 ................................. 56
2.5. Xác định các chỉ tiêu của bitum phục vụ việc dự báo mô đun động của bê tông
nhựa chặt trong điều kiện Việt Nam. ......................................................................... 57
2.5.1 Các mô hình dự báo mô đun động của BTN của Hoa Kỳ ............................ 57
2.5.1.1

Mô hình Witczak truyền thống (Traditional Witczak E* predictive

model)

57

2.5.1.2

Mô hình Witczak cải tiến ............................................................... 58

2.5.1.3

Mô hình Hirsch (Hirsch Model) .................................................... 59

2.5.2 Các thông số của bitum phục vụ việc dự báo mô đun động của BTN .......... 60
2.6. Kết luận chương 2 ............................................................................................. 61
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ THỰC NGHIỆM GIỮA TÍNH
CHẤT CỦA BITUM VÀ MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT Ở
VIỆT NAM .......................................................................................................... 62
3.1. Lựa chọn vật liệu, cấp phối và thiết kế bê tông nhựa ....................................... 64
3.1.1.

Lựa chọn vật liệu bitum ................................................................................ 64

3.1.1.1. Đề xuất các loại bitum sử dụng trong nghiên cứu ....................................... 64
3.1.1.2. Xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bitum .............................................. 64
3.1.2.

Lựa chọn cốt liệu và cấp phối thiết kế bê tông nhựa.................................... 64


v
3.1.2.1. Lựa chọn cốt liệu và bột khoáng .................................................................. 64
3.1.2.2. Xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu ........................................................ 65
3.1.2.3. Lựa chọn cấp phối thiết kế hỗn hợp ............................................................. 67
3.1.3.

Thiết kế bê tông nhựa ................................................................................... 72

3.2. Thiết kế quy hoạch thí nghiệm ........................................................................... 74
3.2.1.

Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp truyền thống và phương pháp

Taguchi 74
3.2.1.1. Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp giai thừa. ...................................... 74
3.2.1.2. Thiết kế thí nghiệm theo phương pháp Taguchi ........................................... 75
3.2.2.

Áp dụng phương pháp Taguchi để thiết kế thiết kế thí nghiệm .................... 77

3.3. Phân tích độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động của bê tông nhựa
79
3.3.1.

Phân tích độ nhạy ......................................................................................... 79

3.3.1.1. Phân tích độ nhạy cục bộ (OAT) .................................................................. 79
3.3.1.2. Phân tích độ nhạy tổng thể (Global sensitive analysis, “GSA”) ................. 80
3.3.1.3. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo .......................................................... 80
3.3.2.

Phân tích độ nhạy của các thông số đầu vào ảnh hưởng tới |E*| theo các mô

hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ ..................................................................................... 80
3.3.2.1. Mô hình Witczak ban đầu (Original Witczak) .............................................. 81
3.3.2.2. Mô hình Witczak cải tiến (Modified Witczak) .............................................. 81
3.3.2.3. Mô hình Hirsch ............................................................................................. 82
3.3.2.4. Xác định dạng phân bố của các biến đầu vào trong các mô hình dự báo
|E*| 82
3.3.2.5. Phân tích độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| bằng phương pháp Mô
phỏng Monte Carlo .................................................................................................... 83
3.4. Nghiên cứu thực nghiệm xác định mô động của bê tông nhựa chặt ở Việt
Nam 85
3.4.1.

Chuẩn bị vật liệu, thiết bị và đúc mẫu phục vụ công tác thí nghiệm mô đun

động của các loại bê tông nhựa ................................................................................. 86
3.4.1.1. Vật liệu và thiết bị thí nghiệm....................................................................... 86
3.4.1.2. Thí nghiệm xác định mô đun động ............................................................... 87


vi
Tiêu chuẩn áp dụng ...................................................................................... 87
Xác định phạm vi nhiệt độ và tần số trong thí nghiệm |E*| ......................... 87
Xác định mức ứng suất và số chu kỳ tác dụng của tải trọng ........................ 87
Tóm tắt phương pháp thí nghiệm ................................................................. 88
3.5. Xây dựng đường cong chủ (Master curve) của mô đun động |E*| ................... 89
3.6. Phương trình dự báo mô đun động cho bê tông nhựa chặt ở Việt Nam ........... 92
3.6.1.

Đề xuất các hệ số cho các mô hình dự báo mô đun động của bê tông nhựa

chặt ở Việt Nam .......................................................................................................... 92
3.6.2.

Phương trình dự báo mô đun động cho bê tông nhựa chặt ở Việt Nam ...... 94

3.6.2.1. Dự báo mô đun động cho BTNC ở Việt Nam theo mô hình Witczak ban
đầu 94
3.6.2.2. Dự báo mô đun động cho BTNC ở Việt Nam theo mô hình Witczak cải
tiến 94
3.6.2.3. Dự báo mô đun động cho BTNC ở Việt Nam theo mô hình Hirsch ............. 95
3.7. So sánh kết quả dự báo trước và sau khi hiệu chỉnh các hệ số trong các mô hình
theo điều kiện Việt Nam ............................................................................................. 95
3.8. So sánh các mô hình dự báo mô đun động của Hoa Kỳ với mô hình dự báo mô
đun động của Việt Nam .............................................................................................. 98
3.9. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 101
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 ........................................................................... 102
4.1. Thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm ........................... 102
4.1.1. Điều tra và thu thập tất cả các thông số đầu vào....................................... 104
4.1.1.1.

Thu thập dữ liệu giao thông ........................................................104

4.1.1.2.

Khí hậu và thời tiết ......................................................................105

4.1.1.3.

Các thông số về vật liệu ..............................................................105

Lớp đất nền thượng (Subgrade layer) và vật liệu không gia cố .............106
Vật liệu gia cố .........................................................................................107
Vật liệu bê tông nhựa ..............................................................................108
Vật liệu bitum ..........................................................................................109


vii
4.1.2. Lựa chọn thiết kế thử và phân tích ứng xử của kết cấu đã chọn ................ 109
4.1.2.1.

Lựa chọn phương án kết cấu (lựa chọn thiết kế thử) ..................109

4.1.2.2.

Phân tích ứng xử của thiết kế thử và điều chỉnh thiết kế thử ......109

4.1.2.3.

Xác định thiết kế khả thi ..............................................................109

4.1.2.4.

Các hệ số kiểm định.....................................................................110

4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của mô đun động tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt
đường mềm tại một dự án ở Việt Nam ..................................................................... 110
4.2.1.

Đặc trưng khai thác của kết cấu mặt đường mềm ...................................... 110

4.2.1.1. Hư hỏng mỏi (nứt mỏi) của mặt đường bê tông nhựa trong khai thác ...... 110
4.2.1.2. Hư hỏng dạng hằn lún vệt bánh xe ............................................................. 111
4.2.1.3. Nứt Nhiệt ..................................................................................................... 111
4.2.1.4. Chỉ số độ gồ ghề quốc tế IRI (International Roughness Index) ................. 111
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 ......................................................................................... 112
4.2.1.1.

Dữ liệu giao thông .......................................................................112

4.2.1.2.

Khí hậu ........................................................................................112

4.2.1.3.

Vật liệu.........................................................................................113

4.2.3.

Phân tích kết cấu mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm ....... 113

4.2.3.1.

Lựa chọn các phương án thiết kế thử ..........................................113

4.2.3.2.

Tiêu chuẩn giới hạn thiết kế kết cấu mặt đường theo (ME) ........114

4.2.3.3.

Phân tích ứng xử của các phương án kết cấu thử. ......................115

4.2.4.

Điều chỉnh chiều dày kết cấu để đảm bảo chỉ tiêu hằn lún vệt bánh ......... 122

4.2.5.

Phân tích độ nhạy của các thông số ảnh hưởng tới kết cấu ....................... 125

4.3. Kết luận chương 4 ........................................................................................... 128
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 130
1. Những đóng góp về mặt khoa học ................................................................ 130
2. Những đóng góp về mặt thực tiễn ................................................................ 131
3. Hạn chế ........................................................................................................ 131
4. Kiến nghị ..................................................................................................... 132
5. Hướng nghiên cứu tiếp theo ......................................................................... 132


viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
AADT
BTN

Annual average daily traffic/Giá trị trung bình giao thông hàng
ngày theo hàng năm
Bê tông nhựa

BKHCN

Bộ khoa học và công nghệ

BGTVT

Bộ giao thông vận tải

BTNC

Bê tông nhựa chặt

BTNR

Bê tông nhựa rỗng

CPĐD

Cấp phối đá dăm

DMA

Dynamic Mechanical Analyzer/Thiết bị phân tích cơ học động

DSR

Dynamic Shear Rheometer/Thiết bị cắt động lưu biến

NCS

Nghiên cứu sinh

AASHTO

American Association of State Highways and Transportation Officials

AC

Asphalt concrete (Bê tông asphalt)

AI

Asphalt Institute (Viện asphalt)

ASTM

American Society of Testing Materials (Hiệp hội thí nghiệm vật liệu
Hoa Kỳ )
Indirect Tensile Test (Thí nghiệm kéo gián tiếp)

ITT
LCPC
ME

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (Phòng thí nghiệm trung
tâm Đường và Cầu)
Mechanical - Empirical (Cơ - thực nghiệm)

ME PDG
(DARWin-ME)
NCAT
NCHRP
Nf
Nf50
SHRP

Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide
(Hướng dẫn thiết kế mặt đường theo Cơ học thực
nghiệm)
The National Center for Asphalt Technology (Trung tâm công nghệ
Asphalt)
National Cooperative Highway Research Program (Chương trình hợp tác
nghiên cứu đường)
Số chu kỳ tác dụng của tải trọng lặp
Số chu kỳ tải trọng lặp tác dụng làm suy giảm mô đun độ cứng còn lại
50% trị số ban đầu
Strategic Highway Research Program (Chương trình chiến lược nghiên
cứu đường bộ)


ix
SPDM

Shell Pavement Design Manual (hướng dẫn thiết kế mặt đường Shell)

AFT

Apparent film thickness (chiều dày màng bi tum)


Gb

Biến dạng tương đối (m/m), biến dạng tương đối gọi tắt là “biến dạng”
m/m ~ microstrain, viết tắt là 
Tỷ trọng của bi tum

Gmb

Mixture bulk specific gravity

Gmm

Maximum specific gravity (Tỷ trọng lớn nhất)

Gmm
Gsa
Gsb
Gse

Theoretical maximum specific gravity
(tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp bê tông asphalt)
Tỷ trọng biểu kiến của hỗn hợp cốt liệu
Average Aggregate Specific Gravity (tỷ trọng khối của hỗn hợp
cốt liệu)
Tỷ trọng có hiệu của hỗn hợp cốt liệu

E1

Complex modulus of asphalt hot mixture (Mô đun phức của bê
tông nhựa
Dynamic modulus of asphalt hot mixture (Mô đun động của bê
tông nhựa
Thành phần thực của mô đun động

E2

Thành phẩn ảo của mô đun động

f

Eb *

Tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm mô đun động của
bê tông nhựa
Tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm mô đun cắt động
của bitum
Complex modulus of bitumen (Mô đun phức của bitum)

|Eb*|

Dynamic modulus of bitumen (Mô đun động của bitum)

δb

Góc pha của bitum

δ

Góc pha của bê tông nhựa

δm

Mô đun động nhỏ nhất của bê tông nhựa

G*

HMA

Complex shear modulus of bitumen (Mô đun cắt phức của
bitum).
Dynamic shear modulus of bitumen (Mô đun cắt động của
bitum).
Hot mix asphalt (hỗn hợp bê tông nhựa nóng, gọi tắt là BTN)

Pb

Total asphalt binder content (% bi tum theo khối lượng hỗn hợp)

E*
|E*|

fc

|G*|


x
Pba

Hàm lượng bi tum hấp phụ, % khối lượng của hỗn hợp cốt liệu

Pbe

Ps

Hàm lượng bi tum có hiệu, % khối lượng của hỗn hợp bê tông
asphalt
% khối lượng của tổng khối lượng hỗn hợp ở trạng thái rời
(Pmm= 100)
Tỷ lệ cốt liệu theo % tổng khối lượng hỗn hợp bê tông asphalt

Ss

Aggregate Specific Surface (tỷ diện bề mặt)

Va

Volume of Air Voids (độ rỗng dư)

Vbeff

VFA

Effective asphalt content, percent by volume (hàm lượng bi tum
có hiệu)
Volume of bitumen (thể tích của bitum trong hỗn hợp bê tông
nhựa)
Volume of mineral aggregate (thể tích cốt liệu trong hỗn hợp bê
tông nhựa
Voids Filled with Asphalt (độ rỗng lấp đầy bi tum)

VMA

Voids in the Mineral Aggregate (độ rỗng cốt liệu)

Pmm

Vb
Vg


xi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Một số chỉ tiêu vật lý cơ bản của các loại bitum ..........................................42
Bảng 2.2: Các hằng số C1, C2 và các thông số của mô hình 2S2P1D ..........................51
Bảng 2.3: Tiêu chuẩn đánh mức độ dự báo của mô hình 2S2P1D [43] ........................52
Bảng 2.4: Đánh giá mức độ dự báo của mô hình 2S2P1D theo tiêu chuẩn thống kê ...52
Bảng 2.5: Giá trị G*/sinδ của các loại bitum ở các nhiệt độ khác nhau .......................56
Bảng 2.6: Giá trị của |G*|, góc pha(δb) và độ nhớt (η) của các loại bitum....................60
Bảng 3.1: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý và độ dính bám của đá Bazan ..........................65
Bảng 3.2: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý và độ dính bám của đá Granit ..........................66
Bảng 3.3: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý và độ dính bám của đá Vôi...............................66
Bảng 3.4: Các chỉ tiêu cơ lý của bột khoáng và cường độ đá gốc ................................67
Bảng 3.5: Các cấp phối đề xuất trong nghiên cứu.........................................................71
Bảng 3.6: Tổng hợp kết quả thiết kế BTNC12.5 ...........................................................73
Bảng 3.7: Tổng hợp kết quả thiết kế BTNC19 ..............................................................74
Bảng 3.8: Ví dụ về thiết kế thực nghiệm mảng trực giao L8(2^7)................................76
Bảng 3.9: Số lượng mẫu quy hoạch cho BTNC12.5 .....................................................78
Bảng 3.10: Số lượng mẫu quy hoạch cho BTNC19 ......................................................78
Bảng 3.11: Các thông số đầu vào sử dụng để phân tích độ nhạy..................................83
Bảng 3.13: Các mức độ ứng suất động tùy theo nhiệt độ thí nghiệm điển hình ...........88
Bảng 3.14: Số các chu kỳ thí nghiệm tùy theo các giá trị của tần số khác nhau [68] ...88
Bảng 3.15: Thời gian duy trì mẫu thí nghiệm ở các nhiệt độ khác nhau [68] ...............88
Bảng 3.16: Các thông số của đường cong chủ và các thông số thống kê tương ứng ....91
Bảng 3.17: Các nhiệt độ và tần số áp dụng trong kiểm định các mô hình dự báo ........93
Bảng 3.18: Các hệ số trong mô hình Witczak ban đầu trước và sau khi hiệu chỉnh .....94
Bảng 3.19: Các hệ số trong mô hình Witczak cải tiến trước và sau khi hiệu chỉnh ......94
Bảng 3.20: Các hệ số trong mô hình Hirsch trước và sau khi hiệu chỉnh .....................94
Bảng 3.21: Tổng hợp các thông số đầu vào sử dụng để dự báo |E*| .............................96
Bảng 3.22: Sai khác giữa kết quả dự báo và kết quả thực nghiệm của |E*| trong các mô
hình Witczak và mô hình Hirsch (trước và sau khi đã hiệu chỉnh các hệ số) ...............96


xii
Bảng 3.23: Đánh giá thống kê mức độ phù hợp “Goodness-of- fit statistic” của các mô
hình dự báo trước và sau khi hiệu chỉnh các hệ số theo điều kiện Việt Nam ...............97
Bảng 3.24: So sánh các mô hình dự báo mô đun động của Hoa Kỳ và ........................99
Bảng 4.1a: Các chỉ tiêu đầu vào của nền đất ứng với các mức thiết kế khác nhau [16]
.....................................................................................................................................107
Bảng 4.1b: Các chỉ tiêu đầu vào của nền đất ứng với các mức thiết kế khác nhau [16]
.....................................................................................................................................109
Bảng 4.2: dữ liệu giao thông .......................................................................................112
Bảng 4.3: Thông tin khí hậu của một số khu vực đại diện ở Việt Nam ......................113
Bảng 4.4: Tổng hợp các phương án kết cấu mặt đường khác nhau ............................114
Bảng 4.5: Tiêu chuẩn giới hạn thiết kế kết cấu mặt đường mềm theo (ME) ..............114
Bảng 4.6: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 1) ...............................117
Bảng 4.7: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 2) ...............................118
Bảng 4.8: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 3) ...............................118
Bảng 4.9: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 4) ...............................119
Bảng 4.10: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 5) .............................119
Bảng 4.11: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 6) .............................120
Bảng 4.12: Phương án kết cấu điều chỉnh ...................................................................123
Bảng 4.13: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 1 điều chỉnh) ...........123
Bảng 4.14: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 3 điều chỉnh) ...........124
Bảng 4.15: Các biến độ nhạy của các phương án kết cấu ...........................................126


xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Các giai đoạn biến dạng của bitum phụ thuộc vào tải trọng tác dụng [56]. ....8
Hình 1.2: Nguyên Lý thí nghiệm cắt động ....................................................................10
Hình 1.3: Sự trễ pha giữa ứng suất và biến dạng trong thí nghiệm DSR [47] ..............10
Hình 1.4: Hai thành phần của mô đun cắt động |G*| của bitum [76] ............................10
Hình 1.5: Thiết bị thí nghiệm MetraviB tại IFSTTAR [15] ..........................................11
Hình 1.6: Nguyên lý thí nghiệm mẫu ............................................................................12
Hình 1.7: Nguyên lý thí nghiệm mẫu ............................................................................12
Hình 1.8: Mô đun cắt động của một số .........................................................................15
Hình 1.9: góc pha (δb) của một số loại ..........................................................................15
Hình 1.10: Mô đun phức và góc pha của bitum PMB-AS7 tại tần số 0.02 Hz ở các điều
kiện già hoá khác nhau [79]...........................................................................................15
Hình 1.11: Mô đun phức và góc pha của bitum PMB-BS7 tại tần số 0.02 Hz ở các điều
kiện già hoác khác nhau [79] .........................................................................................15
Hình 1.12: Giá trị G* của bitum sử dụng các phụ gia khác nhau ở 25oC [79] ..............16
Hình 1.13: Giá trị góc pha của bitum sử dụng các phụ gia khác nhau ở 25oC [79] ......16
Hình 1.14: Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |G*|, [52]...................................18
Hình 1.15: Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của góc pha, [52].............................18
Hình 1.16: Hai thành phần.............................................................................................19
Hình 1.17: Sự trễ pha của biến dạng .............................................................................19
Hình 1.18 Thiết bị cooper của .......................................................................................21
Hình 1.19: Thiết bị thí nghiệm |E*| của trường ĐHGTVT ...........................................21
Hình 1.20: Các chu kỳ ứng suất và biến dạng của mô đun động [23] ..........................21
Hình 1.21: Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |E*| [23] ...................................22
Hình 1.22: Đường cong chủ của |E*| [23] ....................................................................22
Hình 1.23: Ảnh hưởng của loại bitum và mô ................................................................23
Hình 1.24: Ảnh hưởng của loại bitum và mô ................................................................23
Hình 1.25: Ảnh hưởng của thành phần hạt ....................................................................24
Hình 1.26: Ảnh hưởng của thành phần..........................................................................24
Hình 1.27: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mô hình Idaho [18] ............................29


xiv
Hình 1.28: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| .....................................................................29
Hình 1.29: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mô hình Witczak cải tiến [61] ...........29
Hình 1.30: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mô hình Hirsch [61] ..........................30
Hình 2.1: Mô hình Maxwell [47] ..................................................................................46
Hình 2.2: Mô hình Voigt-Kelvin [47] ...........................................................................46
Hình 2.3: Mô hình Maxwell ..........................................................................................46
Hình 2.4: Mô hình Voigt-Kelvin ...................................................................................46
Hình 2.5: Mô hình Huet [47] .........................................................................................46
Hình 2.6: Mô hình Huet-Sayegh [47] ............................................................................46
Hình 2.7: Mô hình 2S2P1D [47] ...................................................................................47
Hình 2.8: Mô hình Burgers [47] ....................................................................................47
Hình 2.9: Ứng xử biến dạng của mô hình Maxwell [47] ..............................................47
Hình 2.10: Ứng xử biến dạng của mô hình Kelvin [47] ................................................47
Hình 2.11: ứng xử của mô hình Burger [50] .................................................................47
Hình 2.12: Đường cong chủ của mô đun cắt động |G*| của bitum 60/70, Tref=30oC ..53
Hình 2.14: Biểu đồ đường cong chủ của |G*|, Tref =30oC ..........................................54
Hình 2.15: Biểu đồ đường cong chủ của góc pha (δ), Tref =30oC ................................55
Hình 2.16: Biểu đồ góc pha (δb) – Mô đun cắt động(|G*|), Tref =30oC .......................55
Hình 3.1: Nội dung nghiên cứu mối quan hệ thực nghiệm giữa |E*| -(|G*|,δb,η) .........63
Hình 3.2: Cấp phối BTNC 19 theo [2], [7], [69], [71] ..................................................69
Hình 3.3: Cấp phối BTNC 12.5 theo [2], [7], [69], [71] ...............................................70
Hình 3.4: Các cấp phối BTNC19 ..................................................................................72
Hình 3.5: Các cấp phối BTNC12.5 ...............................................................................72
Hình 3.6: So sánh thiết kế thực nghiệm theo phương pháp truyền thống .....................76
Hình 3.7: Phần mềm Orcral Crystal Ball tích hợp vào MS excel 2016 ........................82
Hình 3.8: Độ nhạy của log|E*| trong mô ......................................................................84
Hình 3.9: Độ nhạy của log(|E*|) trong mô ...................................................................84
Hình 3.10: Độ nhạy của |E*| trong mô hình Hirsh .......................................................84
Hình 3.11: Độ nhạy của log|E*| trong mô ....................................................................85
Hình 3.12: Độ nhạy của log(|E*|) trong mô .................................................................85
Hình 3.13: Độ nhạy của |E*| trong mô hình Hirsh .......................................................85


xv
Hình 3.15: Biểu đồ hệ số dịch chuyển theo ...................................................................89
Hình 3.16: Đường cong chủ của |E*| (BTNC 12.5, nhiệt độ tham chiếu là 10oC) .......91
Hình 3.17: Mô hình Orginal Witczak ............................................................................97
Hình 3.18: Mô hình Orginal Witczak ............................................................................97
Hình 3.19: Mô hình modified Witczak..........................................................................98
Hình 3.20: Mô hình modified Witczak..........................................................................98
Hình 3.21: Mô hình Hirsch trước khi hiệu chỉnh ..........................................................98
Hình 3.22: Mô hình Hirsch sau khi hiệu chỉnh .............................................................98
Hình 4.1 : Các bước thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm [44]
.....................................................................................................................................103
Hình 4.2: Phương án bố trí kết cấu mặt đường ...........................................................114
Hình 4.3: Cửa sổ mặc định của phần mềm (ME) [22] ................................................115
Hình 4.4: Cửa sổ chính của phần mềm (ME) [22] ......................................................116
Hình 4.5: Mục tạo dự án của phần mềm (ME) [22] ....................................................116
Hình 4.6:Trợ giúp việc nhập dữ liệu bằng màu sắc của phần mềm (ME) [22] ...........117
Hình 4.7: Biểu đồ hằn lún vệt bánh xe theo thời gian .................................................120
Hình 4.8: Biểu đồ chỉ số độ gồ ghề theo thời gian ......................................................121
Hình 4.9: Biểu đồ nứt phân bố (đáy-đỉnh) theo thời gian ...........................................121
Hình 4.10: Biểu đồ nứt nhiệt theo thời gian ................................................................122
Hình 4.11: Biểu đồ hằn lún vệt bánh xe .....................................................................124
Hình 4.12: Biểu đồ độ gồ ghề IRI theo thời gian ........................................................124
Hình 4.13: Biểu đồ nứt phân bố theo thời gian ...........................................................125
Hình 4.14: Biểu đồ nứt nhiệt theo thời gian ................................................................125
Hình 4.15: Độ nhạy tổng biến dạng vĩnh cửu theo AADT (kết cấu 6) .......................126
Hình 4.16: Độ nhạy của IRI theo AADT (kết cấu 6) ..................................................126
Hình 4.17: Độ nhạy của nứt phân bố theo AADT (kết cấu 6) ....................................127
Hình 4.18: Độ nhạy nứt nhiệt theo AADT (kết cấu 6) ...............................................127


xvi


1

PHẦN MỞ 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 thông số đầu vào rất quan trọng được sử dụng để phân tích
kết cấu mặt đường mềm theo phương pháp cơ học- thực nghiệm, còn được gọi tắt là
phương pháp (ME).
Phương pháp (ME) đã và đang được sử dụng trong thiết kế kết cấu mặt đường ở Hoa
Kỳ, Canada và được rất nhiều nước nghiên cứu áp dụng trong phân tích kết cấu mặt
đường do đây là phương pháp tiên tiến có các ưu điểm vượt trội hơn các phương pháp
thiết kế mặt đường khác như dự báo được ứng xử của kết cấu mặt đường theo các dạng
hư hỏng thực tế như (hằn lún vệt bánh xe, nứt phân bố, nứt nhiệt, ….) dựa trên cơ sở
của rất nhiều dữ liệu đầu vào gồm có điều kiện giao thông, điều kiện khí hậu/môi trường,
vật liệu và sự ảnh hưởng của điều kiện khí hậu/môi trường tới chỉ tiêu cơ lý của vật liệu.
Để có thể áp dụng phương pháp (ME) trong phân tích kết cấu mặt đường mềm thì với
hỗn hợp BTN cần phải có giá trị mô đun động |E*|. Giá trị này có thể xác định bằng thực
nghiệm hoặc sử dụng các phương trình tương quan thực nghiệm được phát triển bởi cả
nhà khoa học của Hoa Kỳ theo tính chất của loại bitum sử dụng gồm có (độ nhớt của
bitum, mô đun cắt động |G*| và góc pha trong thí nghiệm xác định |G*|.
Việc sử dụng giá trị |E*|, và |G*| là một tiến bộ trong khoa học vật liệu vì đã phản ánh
đúng bản chất vật liệu bitum và BTN có tính đàn nhớt, điều mà các phương pháp thiết
mặt đường khác trước kia và hiện nay chưa xem xét tới.
Tuy nhiên, việc xác định |E*| bằng thực nghiệm đòi hỏi tốn nhiều thời gian và kinh phí,
trong khi các mô hình dự báo |E*| theo tính chất của bitum sử dụng hay các phương trình
dự báo ứng xử của kết cấu mặt đường theo các dạng hư hỏng thực tế của phương pháp
(ME) được thiết lập trong điều kiện của Hoa Kỳ, vì vậy muốn sử dụng được ở 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.
Có thể nói |E*| là chỉ tiêu rất quan trọng của hỗn hợp BTN và đây cũng là thông số có
mặt trong một số phương trình dự báo dạng hư hỏng của kết cấu mặt đường theo thời


2
gian của phương pháp (ME). Việc phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng của các
thông số đầu vào tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt đường mềm theo phương pháp
(ME) của Hoa Kỳ đã khẳng định rằng |E*| có ảnh hưởng nhiều tới đặc trưng khai thác
của kết cấu mặt đường mềm [59].
Trên cơ sở các nghiên cứu thực nghiệm, Hoa Kỳ đã xây dựng được một số mô hình dự
báo |E*| theo tính chất của loại bitum sử dụng và một số thông số khác của hỗn hợp
BTN, trong đó điển hình là các mô hình sau [65], [83]:
 Mô hình Witczak đầu tiên (Original Witczak Equation).
 Mô hình Witczak cải tiến (Modified Witczak Equation).
 Mô hình Hirsch (Hirsh model).
Ngoài các mô hình trên, còn có một vài mô hình khác được nghiên cứu và xây dựng trên
cơ sở các nghiên cứu thực nghiệm ở Hoa Kỳ, như mô hình định luật các hỗn hợp tương
đương (Law of mixtures parallel model, còn gọi là mô hình “Al-Khateeb Model”, mô
hình Idaho (Abdo et al. 2009) …
Trong phạm luận án chỉ tập trung nghiên cứu tính chất vật liệu bitum thông qua các chỉ
tiêu |G*|, góc pha và hiệu chỉnh lại các hệ số trong ba mô hình được sử dụng phổ biến ở
Hoa Kỳ (mô hình Witczak ban đầu, mô hình Witczak cải tiến và mô hình Hirsch). Kết
quả nghiên cứu thực nghiệm 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. Đây cũng là mô hình đang được sử
dụng trong phần mềm thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp (ME) của Hoa Kỳ
hiện nay.

2

Tính cần thiết của luận án

Tới thời điểm hiện tại, việc thiết kế mặt đường mềm ở Việt Nam vẫn thực hiện theo các
tiêu chuẩn truyền thống [9], [10], dẫn tới việc lựa chọn giải pháp thiết kế mặt đường
mềm chưa phù hợp, tuổi thọ mặt đường thấp. Nhận rõ đây là vấn đề còn hạn chế về tiêu
chuẩn thiết kế mặt đường mềm hiện hành. Năm 2017, Bộ giao thông vận tải đã triển
khai đề tài cấp bộ [16] và trên cơ sở nghiên cứu đã khẳng định rằng có thể áp dụng


3
phương pháp (ME) vào điều kiện Việt Nam nhưng phải có các nghiên cứu để “Địa
phương hóa các thông số đầu vào” theo phương pháp thiết kế (ME) theo điều kiện Việt
Nam. Do vậy, việc từng bước nghiên cứu để địa phương hóa các thông số đầu vào để có
thể áp dụng phương pháp thiết kế mặt đường theo (ME) theo điều kiện Việt Nam trong
tương lai là rất cần thiết để nâng cao chất lượng công trình đường bộ ở Việt Nam.

3

Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận án là xác định được mô hình dự báo |E*| theo tính chất
của loại bitum sử dụng theo điều kiện vật liệu của Việt Nam. Để đạt được mục tiêu này,
mục đích nghiên cứu của luận án sẽ là:
− Hiểu rõ tính chất của các vật liệu thành phần của hỗn hợp BTN gồm mô đun cắt
động |G*|, góc pha (δb), mô đun động của BTN (|E*|).
− Hiểu rõ được các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun cắt động của bitum (|G*|, góc pha
(δb), mô đun động của BTN (|E*|) và yếu tố nào có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá
trị mô đun động của BTN.
− Hiểu rõ được phương pháp xây dựng đường cong chủ của |G*|, góc pha (δb), mô
đun động của BTN (|E*|) và việc đánh giá mức độ phù hợp của các mô hình xây
dựng đường cong chủ (|G*|, góc pha (δb),|E*|) cho các loại bitum và BTN.
− Hiểu rõ được các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ theo các mô hình Witczak,
mô hình Hirsh và cách đánh giá mức độ phù hợp của các mô hình dự báo này
theo tiêu chuẩn thống kê.
− Xác định được mô hình dự báo |E*| trong ba mô hình của Hoa Kỳ (các mô hình
Witczak và mô hình Hirsch) có khả năng dự báo |E*| với độ chính xác cao nhất
theo tiêu chuẩn thống kê theo điều kiện vật liệu của Việt Nam.

4

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Việc nghiên cứu ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của BTNC ở Việt
Nam đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và kính phí. Do vậy, trong phạm vi luận án chỉ
tiến hành nghiên cứu các chỉ tiêu cơ học (|G*| và góc pha) của vật liệu bitum đang sử
dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay 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


4
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.

Phương pháp nghiên cứu

5

Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu
thực nghiệm, trong đó:
5.1 Nghiên cứu lý thuyết
Nghiên cứu tổng quan về ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của BTN,
gồm có:
 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*|).
 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.
5.2 Nghiên cứu thực nghiệm
Việc nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định được các giá trị |G*|, δb , |E*| cho các vật
liệu bitum và các hỗn hợp BTNC ở Việt Nam. Sau đó sử dụng các kết quả thực nghiệm
để xây dựng mối quan hệ tương quan giữa |E*| - (|G*|,δb, η), đánh giá mức độ phù hợp
của mô hình dự báo theo tiêu chuẩn thống kê, hiệu chỉnh lại các hệ số để đảm bảo mô
hình dự báo có khả năng dự báo |E*| có độ chính xác cao theo điều kiện vật liệu của Việt
Nam.

6

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

6.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài
 Luận án đã phân tích được cơ sở khoa học của các thông số bê tông nhựa sử dụng


5
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 tính chất của vật liệu bitum (|G*| và góc pha) 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.
 Luận án đã xác định được tính chất vật liệu bitum có ảnh hưởng nhiều nhất tới
giá trị mô đun động của BTNC, giá trị |E*| có ảnh hưởng nhiều tới dạng hư hỏng
lún vệt bánh xe để từ đó có giải pháp kiểm soát nhằm nâng cao chất lượng công
trình.
 Kết quả nghiên cứu của đề tài là tài liệu tham khảo tốt về mặt phương pháp luận
trong lĩnh vực cơ học nền-mặt đường ô tô.
6.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
 Luận án đã đề xuất được các chỉ tiêu kỹ thuật của các loại bitum điển hình theo
cấp đặc tính khai thác (PG) cho các loại bitum ở Việt Nam.
 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 đề xuất trình tự thiết kế thực nghiệm, mô hình kết cấu mặt đường,
phân tích độ nhạy, phân tích mô phỏng trong nghiên cứu cơ học nền-mặt đường
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.


6

7

Cấu trúc của luận án

Cấu trúc của luận án gồm 4 chương, phần các công trình khoa học đã công bố, danh mục
các tài liệu tham khảo và phụ lục. Cụ thể như sau:
 Chương 1. Tổng quan về ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của
BTN
 Chương 2. Nghiên cứu thực nghiệm và đề xuất sử dụng mô hình 2S2P1D để xây
dựng đường cong chủ của mô đun cắt động và góc pha của một số loại bitum ở
Việt Nam
 Chương 3. Nghiên cứu mối quan hệ thực nghiệm giữa tính chất của bitum và mô
đun động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam
 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.
 Các công trình khoa học đã công bố (gồm 7 công trình khoa học đã công bố)
 Phần phụ lục. Tổng hợp các thí nghiệm liên quan tới bitum và bê tông nhựa gồm
các chỉ tiêu cơ lý của bitum, tổng hợp kết quả thiết kế BTNC 12.5, BTNC 19, kết
quả thí nghiệm |E*|, kết quả phân tích kết cấu mặt đường theo phương pháp (ME)
cho kết cấu mặt đường ở Việt Nam...


7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT CỦA BITUM
ĐẾN MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA
Bê tông nhựa (BTN) được hình thành bởi sự liên kết cốt liệu – bitum nên các tính chất
của vật liệu khoáng hay chất kết dính (bitum) đều có ảnh hưởng tới tính chất của vật liệu
BTN. Mặc dù chỉ chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong thành phần của hỗn hợp BTN (khoảng 4% 6% theo tổng trọng lượng hỗn hợp), nhưng tính chất của loại bitum sử dụng mà đặc
trưng bởi giá trị mô đun cắt động (|G*| và góc pha (δ) lại có ảnh hưởng rất lớn tới đặc
tính của vật liệu BTN mà cụ thể là giá trị mô đun động (Dynamic modulus |E*|). Hiểu
rõ được ảnh hưởng tính chất của loại bitum (|G*|) tới mô đun động của BTN (|E*|) sẽ
lựa chọn được loại bitum phù hợp trong thiết kế BTN, dự báo được giá trị |E*| căn cứ
vào tính chất của loại bitum sử dụng và các thông số khác như (thành phần hạt, các đặc
tính thể tích…) phục vụ việc thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp cơ học thực
nghiệm (phương pháp “ME”) của Hoa Kỳ để nâng cao chất lượng công trình.
Các tính chất của bitum (mô đun cắt động |G*|, góc pha δ) cùng với mô đun động của
bê tông nhựa là các thông số đầu vào rất quan trọng được sử dụng để phân tích kết cấu
mặt đường theo phương pháp (ME) của Hoa Kỳ [32], [65].

1.1

Bitum và tính chất của bitum

1.1.1 Bitum
Bitum (nhựa đường) là vật liệu xây dựng có tính đàn nhớt, ứng xử phụ thuộc vào nhiệt
độ và thời gian tác dụng của tải trọng. Bitum có trạng thái rắn đàn hồi ở nhiệt độ thấp
(<0oC), có trạng thái nhớt lỏng khi ở nhiệt độ cao (>100oC) và có tính lưu biến phức tạp
khi ở nhiệt độ trung gian [63].
Bitum cũng có nhiều tên gọi khác nhau trên thế giới, hầu hết các quốc gia Châu Âu,
dùng thuật ngữ bitum hoặc bitum lọc dầu (refined bitumen) là chủ yếu trong khi đó ở
Hoa Kỳ được gọi là asphalt hoặc chất kết dính asphalt (asphalt cement). Ngoài Hoa Kỳ
thì thuật ngữ asphalt thường được dùng để mô tả hỗn hợp của bitum với cốt liệu [63].
Theo tiêu chuẩn ngành 22TCN 279-01 [12], thì khái niệm của bitum (nhựa đường) được
định nghĩa “nhựa đường đặc dùng cho đường bộ là sản phẩm thu được từ công nghệ lọc
dầu mỏ; bao gồm các hợp chất hydrocacbon cao phân tử như CnH2n+2, CnH2n,


8
hydrocacbua thơm mạch vòng (CnH2n-6) và một số dị vòng có chứa oxy, nitơ, lưu huỳnh;
ở trạng thái tự nhiên có dạng đặc quánh màu đen”.
Để cải thiện các tính chất của vật liệu bitum, người ta cho thêm các chất phụ gia polymer
hữu cơ vào bitum để có vật liệu bitum polymer cải tiến nhằm cải thiện chất lượng bitum
như tăng khả năng kháng hằn lún vệt bán, cải thiện khả năng kết dính với cốt liệu, tăng
độ bền mỏi …. [30], [34], [79].
Hình 1.1 minh họa ứng xử của bitum dưới tác dụng của tải trọng ở các giai đoạn khác
nhau.

Hình 1.1: Các giai đoạn biến dạng của bitum phụ thuộc vào tải trọng tác dụng [56].

Trong đó:
εT – Tổng biến dạng, εrecoverable – biến dạng phục hồi.
εe – Biến dạng đàn hồi, có khả năng phục hồi và phụ thuộc vào thời gian.
εp – Biến dạng dẻo, không có khả năng phục hồi và phụ thuộc vào thời gian.
εve – Biến dạng đàn nhớt, có khả năng phục hồi và phụ thuộc vào thời gian.
εvp – Biến dạng nhớt, không có khả năng phục hồi và phụ thuộc vào thời gian. Như vậy
ứng xử của bitum là ứng xử đàn nhớt phụ thuộc vào thời gian tác dụng của tải trọng.
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 [56], [63] 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*|).


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×