Tiến Sĩ Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
PHẦN MỞ ĐẦU . 1
1. Đặt vấn đề . 1
2. Lý do chọn đề tài 2
3. Mục đích nghiên cứu 3
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG Chương 1.
ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI CỦA BÊ TÔNG ASPHALT 6
1.1 Định nghĩa mỏi . 6
1.2 Các dạng nứt do mỏi được nghiên cứu . 6
1.2.1 Nứt từ dưới lên (nứt dạng cá sấu) . 7
1.2.2 Nứt từ trên xuống (nứt theo chiều dọc) 8
1.3 Phân tích các nghiên cứu liên quan về các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi
của bê tông asphalt 8
1.3.1 Nhóm liên quan đến tải trọng . 9
1.3.2 Nhóm liên quan đến môi trường 13
1.3.3 Nhóm liên quan đến hỗn hợp bê tông asphalt 16
1.4 Các mô hình và chế độ kiểm soát thí nghiệm mỏi bê tông asphalt 20
1.4.1 Các mô hình thí nghiệm . 20
1.4.1.1 Mô hình uốn dầm 20
1.4.1.2 Mô hình kéo - nén . 21

1.4.1.3 Mô hình cắt xoay 22
1.4.2 Các chế độ kiểm soát thí nghiệm mỏi 22
1.4.2.1 Khống chế ứng suất 22
1.4.2.2 Khống chế biến dạng 22
1.5 Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng độ bền mỏi bê tông asphalt 23
1.5.1 Trên thế giới . 23
1.5.1.1 Các trường phái thiết kế kết cấu áo đường mềm 23
1.5.1.2 Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng 24
1.5.2 Tại Việt Nam 28
1.6 Những vấn đề tồn tại luận án cần giải quyết 29
1.7 Mục tiêu và nội dung của đề tài nghiên cứu . 30
1.7.1 Mục tiêu 30
1.7.2 Nội dung . 30
1.8 Phương pháp nghiên cứu 31
1.9 Kết luận chương 1 . 31
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG Chương 2.
ASPHALT TRONG MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN CỦA VIỆT NAM 33
2.1 Xác định các thông số chính cho thí nghiệm mỏi . 33
2.1.1 Nhiệt độ thí nghiệm 33
2.1.2 Tần số tải thí nghiệm 35
2.1.3 Chế độ thí nghiệm 37
2.1.4 Vật liệu bê tông asphalt 39
2.1.4.1 Lựa chọn loại bê tông asphalt . 39
2.1.4.2 Lựa chọn loại bột khoáng . 39
2.1.5 Tổng hợp mẫu thí nghiệm 41
2.2 Chế tạo mẫu 42
2.2.1 Thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt . 43
2.2.1.1 Vật liệu . 43
2.2.1.2 Thiết kế thành phần hỗn hợp BTNC 12,5 46
2.2.1.3 Thiết kế thành phần hỗn hợp BTNC 19 . 50
2.2.2 Thi công tại hiện trường . 51
2.2.2.1 Địa điểm, thời gian thi công . 51
2.2.2.2 Chế tạo hỗn hợp bê tông asphalt 51
2.2.2.3 Thi công tại hiện trường . 52
2.2.3 Gia công mẫu thí nghiệm . 53
2.2.3.1 Cắt mẫu tại hiện trường 53
2.2.3.2 Gia công mẫu dầm tại xưởng . 53
2.3 Các tính chất cơ lý của bê tông asphalt sau thi công 54
2.3.1 Bê tông asphalt loại BTNC 12,5 54
2.3.1.1 Thành phần hạt . 54
2.3.1.2 Độ chặt thi công 55
2.3.1.3 Các chỉ tiêu cơ lý khác . 56
2.3.2 Bê tông asphalt loại BTNC 19 . 57
2.3.2.1 Thành phần hạt . 57
2.3.2.2 Độ chặt thi công 58
2.3.2.3 Các chỉ tiêu cơ lý khác . 59
2.4 Thí nghiệm mỏi . 59
2.4.1 Sấy mẫu 59
2.4.2 Lưu trữ mẫu 59
2.4.3 Mô tả thí nghiệm 60
2.4.4 Các kết quả thí nghiệm . 61
2.4.4.1 Mô đun độ cứng động (S2.4.4.2 Ứng suất cực đại (2.4.4.3 Biến dạng kéo cực đại (omix) . 61
2.4.4.4 Góc lệch pha () . 63
2.4.5 Đánh giá độ tin cậy kết quả thí nghiệm 63
2.5 Kết luận chương 2 . 65
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐỘ BỀN MỎI BÊTÔNG Chương 3.
ASPHALT 67
3.1 Kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 (BD) . 67
3.1.1 Mô đun độ cứng (S) 69
3.1.1.1 Điều kiện thí nghiệm 10 độ C, tần số 5 Hz 69
3.1.1.2 Điều kiện thí nghiệm 10 độ C, tần số 10 Hz 71
3.1.1.3 Điều kiện thí nghiệm 20 độ C, tần số 5 Hz 72
3.1.1.4 Điều kiện thí nghiệm 20 độ C, tần số 10 Hz 73
3.1.1.5 Phân tích kết quả mô đun độ cứng . 74
3.1.2 Ứng suất () . 81
3.1.3 Lực tác dụng (F) . 84
3.1.4 Góc lệch pha () . 86
3.1.5 Xây dựng biểu thức đặc trưng độ bền mỏi BTNC 12,5 . 89
3.2 Kết quả thí nghiệm mỏi bê tông asphalt loại BTNC 19 . 91
3.2.1 Tổng hợp kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 19 91
3.2.2 Mô đun độ cứng (S) 91
3.2.3 Xây dựng biểu thức đặc trưng độ bền mỏi BTNC 19 93
3.3 Kết quả thí nghiệm mỏi loại BTNC 12,5 (CC) và BTNC 12,5 (CX) . 94
3.3.1 Bê tông asphalt sử dụng bột khoáng CaCO
3.3.2 Bê tông asphalt sử dụng bột khoáng CaCO3 94
+ xi măng . 98
3.4 Phân tích kết quả thí nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt 101
3.4.1 Loại BTNC 12,5 và BTNC 19 101
3.4.2 Các loại BTNC 12,5 sử dụng loại bột khoáng khác nhau 102


3.5 Xây dựng phương trình độ bền mỏi cho các loại BTNC 12,5 đã thí nghiệm
. 108
3.5.1 Phương trình độ bền mỏi cho BTNC 12,5 (dạng 1) . 108
3.5.2 Phương trình độ bền mỏi cho BTNC 12,5 (dạng 2) . 109
3.6 Kết luận chương 3 . 110
ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO THIẾT KẾ KẾT CẤU Chương 4.
ÁO ĐƯỜNG MỀM TẠI VIỆT NAM 112
4.1 Đề xuất kiểm toán mỏi lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường mềm . 112
4.1.1 Cơ sở lý thuyết 112
4.1.2 Trình tự tính toán 116
4.1.3 Lựa chọn điều kiện tính toán 117
4.1.3.1 Nhiệt độ 117
4.1.3.2 Tần số tải trọng . 118
4.1.4 Xác định biến dạng cho phép (
4.1.4.1 Biến dạng cho phép (
4.1.4.2 Biến dạng tính toán (
cp
tt
cp
) và biến dạng tính toán (
tt
) 118
) 118
) 118
4.2 Ứng dụng kiểm toán mỏi lớp BTNC 12,5 trong kết cấu áo đường mềm . 119
4.2.1 Thông số đầu vào dùng kiểm toán mỏi 119
4.2.1.1 Kết cấu áo đường, thông số vật liệu . 119
4.2.1.2 Xác định điều kiện kiểm toán mỏi 120
4.2.2 Biến dạng cho phép ở đáy lớp BTNC 12,5 (
4.2.3 Biến dạng tính toán (
tt
cp
) 120
) đáy lớp BTNC 12,5 trong kết cấu áo đường . 122
4.2.3.1 Mô hình tải tác dụng . 122
4.2.3.2 Tính biến dạng (
tt
) đáy lớp bê tông asphalt . 122
4.2.4 Đánh giá 123
4.2.4.1 Kết cấu 1 . 123
4.2.4.2 Kết cấu 2 . 124
4.2.4.3 Nhận xét 125
4.3 Kết luận chương 4 . 125
PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 126
1. Đóng góp về mặt khoa học . 126
2. Đóng góp về mặt thực tiễn 127
3. Hạn chế . 127
4. Kiến nghị . 128
5. Hướng nghiên cứu tiếp . 128
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ . xvii
TÀI LIỆU THAM KHẢO xviii
1. Đặt vấn đề
PHẦN MỞ ĐẦU
Bê tông asphalt là hỗn hợp bao gồm cốt liệu khoáng và chất kết dính (nhựa
đường/bi tum/asphalt). Cốt liệu thường chiếm khoảng 95% khối lượng hỗn hợp bê
tông asphalt, bi tum chiếm khoảng 5% còn lại. Về thể tích, một hỗn hợp bê tông
asphalt điển hình có khoảng 85% cốt liệu, 10% bi tum, và khoảng 5% lỗ rỗng. Một
lượng nhỏ chất độn và phụ gia được thêm vào hỗn hợp bê tông asphalt để tăng
cường chất lượng hoặc dễ thi công [31]. Chất lượng khai thác mặt đường bê tông
asphalt phụ thuộc vào tính chất của bi tum, cốt liệu, thành phần hỗn hợp, chất lượng
thi công và cả các yếu tố tác động bên ngoài như xe, môi trường.
Bi tum là sản phẩm còn lại sau dầu hỏa, xăng, dầu diesel, dầu mỡ, được
tinh chế từ dầu thô. Bi tum có tác dụng tạo tính công tác cho hỗn hợp và liên kết cốt
liệu trong bê tông asphalt. Thành phần bi tum chủ yếu là carbon và hydro, với một
lượng nhỏ oxy, lưu huỳnh và một số phi kim loại khác. Chất kết dính bi tum là loại
vật liệu đàn hồi nhớt. Tính chất vật lý của bi tum khác nhau rất nhiều khi nhiệt độ



thay đổi. Bi tum mềm trong môi trường nhiệt độ cao; dễ nứt gãy, giòn khi nhiệt độ
xuống thấp. Bê tông asphalt cũng có những tính chất khác nhau theo nhiệt độ xuất
phát từ đặc điểm này của bi tum.
Tất cả hỗn hợp bê tông asphalt chứa một lượng nhỏ các lỗ rỗng không khí.
Trong phòng thí nghiệm, bê tông asphalt thường được thiết kế khoảng 4% lỗ rỗng,
với một phạm vi 3% ư 5%, tùy thuộc vào loại hỗn hợp được thiết kế và sử dụng. Với
mặt đường bê tông asphalt được xây dựng đúng, thường lỗ rỗng vào khoảng 6% ư
8%. Độ rỗng dư sau khi xây dựng - dưới tác dụng của bánh xe, thông thường sẽ dần
dần nhỏ lại đạt mức giá trị thiết kế từ 3% ư 5%. Tuy nhiên, nếu lớp bê tông asphalt
không được đầm chặt đầy đủ trong quá trình xây dựng, tác dụng của bánh xe khai
thác sẽ không làm giảm độ rỗng đạt tới giá trị thiết kế. Kết quả là mặt đường sẽ bị
rỗng và thấm nước, dẫn đến hư hỏng.

Mỏi là hiện tượng nứt gãy dưới tác dụng của tải trọng lặp mà ở đó trị số lớn
nhất của ứng suất nhỏ hơn cường độ chịu kéo của vật liệu. Theo đó các vết nứt vi
mô trong bê tông asphalt bắt đầu xuất hiện. Các vết nứt này phát triển dần và liên kết
lại với nhau hình thành vết nứt lớn làm suy giảm cường độ, phá hoại lớp bê tông
asphalt. Lỗ rỗng trong hỗn hợp bê asphalt là tác nhân hình thành, phát triển các vết
nứt vi mô. Phá hoại mỏi là một trong những dạng phá hoại phổ biến của bê tông
asphalt.
Trong số những dạng phá hoại cơ bản của bê tông asphalt, lún vệt bánh xe
(rutting) chưa được áp dụng cụ thể trong phần lớn các phương pháp thiết kế kết cấu
áo đường mềm mà mới chỉ dừng lại ở mức áp dụng kiểm tra cường độ chống lún vệt
bánh trên mẫu vật liệu bê tông asphalt.
Phá hoại dạng nứt thì ở mức kém hơn, chưa có tiêu chuẩn chung cho cường
độ chống nứt của bê tông asphalt. Cũng đã có nhiều loại thí nghiệm nứt khác nhau
được thực hiện trên thế giới, tuy nhiên chưa có những nghiên cứu cụ thể để tìm ra
quy luật của nó.
Trượt là một dạng phá hoại phức tạp. Nó vừa liên quan đến nứt ở lớp liên kết
(nứt dạng 2 - dạng cắt) do vượt quá ứng suất giới hạn, vừa liên quan đến mỏi. Chưa
kể dạng phá hoại này chịu ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố phi tải trọng như: nước,
thay đổi nhiệt độ, .
Trong các nghiên cứu nói chung về nứt vật liệu bê tông asphalt (cracking in
asphalt material) thì nứt mỏi (fatigue cracking) là một dạng nứt vi mô (micro-
cracking). Mỏi là dạng phá hoại được nghiên cứu khá nhiều. Nó đã trở thành dạng
thí nghiệm cơ bản cho vật liệu bê tông asphalt. Trên thế giới, nghiên cứu mỏi bê
tông asphalt phổ biến hơn so với nghiên cứu các dạng phá hoại khác cũng như ứng
dụng của chúng.
Để xây dựng chiến lược phát triển hệ thống giao thông đường bộ với kết cấu
áo đường mềm được sử dụng phổ biến thì việc nắm rõ các tính chất cơ học của loại
bê tông asphalt là hết sức cần thiết, nhất là những yếu tố liên quan đến độ bền mỏi.
2. Lý do chọn đề tài
Trong 4 mức độ xem xét khi đánh giá chất lượng một loại bê tông asphalt thì
mỏi là cấp độ cao nhất (1-độ chặt, 2-khả năng chống lún, 3-mô đun, 4-mỏi). Với 3
cấp độ 1, 2, 3 việc nghiên cứu ứng dụng vào thực tế đã rất phổ biến. Trên thế giới,
nứt mỏi là dạng phá hoại được định tính và định lượng một cách rõ ràng nhất thông
qua nhiều mô hình và thí nghiệm khác nhau. Nhiều nơi đã áp dụng kết quả nghiên
cứu mỏi vào khâu thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, thiết kế kết cấu áo đường mềm
với lớp bê tông asphalt đảm bảo điều kiện chịu mỏi. Qua đó chất lượng khai thác của
kết cấu áo đường mềm được kiểm soát, đảm bảo đạt yêu cầu cả về mặt cường độ lẫn
độ bền.
Trong khi đó, tại Việt Nam (VN), cho đến nay mỏi bê tông asphalt vẫn chưa
được triển khai nghiên cứu về mặt thực nghiệm một cách cụ thể. Các nghiên cứu về
độ bền mỏi bê tông asphalt còn hạn chế, hiện chỉ dừng ở mức tập hợp lý thuyết. Đây
là một lĩnh vực cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện. Và vấn đề ứng dụng kết quả
nghiên cứu mỏi bê tông asphalt của thế giới vào VN cũng chưa thực sự được quan
tâm. Phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt (Marshall) và thiết kế kết cấu áo
đường mềm theo 22TCN 211-06 [9], 22TCN 274-01 [10] ở VN chưa xét đến yếu tố
mỏi bê tông asphalt một cách rõ ràng. Cụ thể chúng ta chưa có định lượng trong việc
thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt đạt yêu cầu về khả năng chịu mỏi, cách kiểm toán
mỏi trong thiết kế kết cấu áo đường cần xem xét nghiên cứu thêm. Hơn nữa trong
nghiên cứu của tư vấn BCEOM năm 2006 cho thấy lượng xe quá tải hiện nay trên
các tuyến quốc lộ ở VN tăng cao (được nêu tại [3]), là nguyên nhân của những hư
hỏng. Do đó yếu tố độ bền cần phải được xem xét cho kết cấu và vật liệu, trong đó
có mỏi vật liệu bê tông asphalt.
Xuất phát từ thực tế đó, nghiên cứu sinh (NCS) thực hiện đề tài “Nghiên cứu
một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt
Nam”.