Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

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

Hà Nội, 5- 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả

trình bày trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố.

Tác giả luận án

Nguyễn Như Hải

LỜI CẢM ƠN

Sau bốn năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, nghiên cứu sinh (NCS) đã hoàn thành luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất của bitum đên mô đun động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam”.

Để hoàn thành luận án này, NCS xin được gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến 2 thầy hướng dẫn NCS là PGS.TS Nguyễn Quang Phúc và PGS.TS Vũ Đức Chính. Các thầy đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho NCS từ khi bắt đầu thực hiện công tác nghiên cứu cho tới suốt quá trình thực hiện các nghiên cứu của luận án.

Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Thị Kim Đăng, TS Nguyễn Quang Tuấn, TS Lương Xuân Chiểu và các thầy, cô khác của Trường Đại học GTVT đã luôn nhiệt tình hỗ trợ và tư vấn cho NCS trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm và xử lý và phân tích số liệu thực nghiệm.

NCS cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Mai Lân – Viện Giao thông Pháp (IFSTTAR) đã giúp đỡ NCS trong việc vận chuyển và tiến hành công tác thí nghiệm xác định giá trị mô đun cắt phức của một số loại bitum ở Việt Nam tại Viện Giao Thông Pháp để phục vụ cho công tác nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa các loại bitum ở Việt Nam và một loại bitum (35/50) của Pháp. Ngoài ra, TS. Lân cũng đã cung cấp cho NCS nhiều tài liệu có giá trị cho đề tài nghiên cứu này.

NCS cũng xin gửi lời cảm ơn đến Phòng thí nghiệm trọng điểm LasXD 1256, phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng – Bộ môn Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học GTVT đã nhiệt tình hỗ trợ NCS tiến hành các thí nghiệm trong phòng.

Xin cảm ơn đến Ban Giám hiệu trường Đại học GTVT, phòng đào tạo sau đại học và Bộ môn Đường Bộ đã luôn ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi cho NCS trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Cảm ơn người bạn đời thân thiết nhất của NCS cùng các người thân trong gia đình đã luôn ủng hộ NCS cả về vật chất và tinh thần giúp cho NCS vượt qua được những khó khăn trong suốt chặng đường làm nghiên cứu của mình.

Trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2019

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Như Hải

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

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

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

Mô hình Witczak truyền thống (Traditional Witczak E* predictive 2.5.1.1

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

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

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

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

Bê tông nhựa chặt BTNC

Bê tông nhựa rỗng BTNR

CPĐD Cấp phối đá dăm

Dynamic Mechanical Analyzer/Thiết bị phân tích cơ học động DMA

Dynamic Shear Rheometer/Thiết bị cắt động lưu biến DSR

Nghiên cứu sinh NCS

AASHTO American Association of State Highways and Transportation Officials

Asphalt concrete (Bê tông asphalt) AC

Asphalt Institute (Viện asphalt) AI

ASTM

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

LCPC

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

ME PDG (DARWin-ME)

Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (Hướng dẫn thiết kế mặt đường theo Cơ học thực nghiệm)

NCAT

NCHRP

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 Nf

Nf50

SHRP

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)

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

AFT Apparent film thickness (chiều dày màng bi tum)

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 Gb

Mixture bulk specific gravity Gmb

Maximum specific gravity (Tỷ trọng lớn nhất) Gmm

Gmm

Theoretical maximum specific gravity (tỷ Tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp bê tông asphalt) trọng biểu kiến của hỗn hợp cốt liệu Gsa

trọng khối của hỗn hợp Gsb

Average Aggregate Specific Gravity (tỷ cốt liệu) Tỷ trọng có hiệu của hỗn hợp cốt liệu Gse

mixture (Mô đun động của bê |E*|

Complex modulus of asphalt hot mixture (Mô đun phức của bê tông nhựa Dynamic modulus of asphalt hot tông nhựa Thành phần thực của mô đun động E1

Thành phẩn ảo của mô đun động E2

tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm mô đun động của f

tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm mô đun cắt động fc

Tần số bê tông nhựa Tần số của bitum Complex modulus of bitumen (Mô đun phức của bitum) Eb*

Dynamic modulus of bitumen (Mô đun động của bitum) |Eb*|

Góc pha của bitum δb

Góc pha của bê tông nhựa δ

Mô đun động nhỏ nhất của bê tông nhựa δm

(Mô đun cắt phức của G*

|G*|

Complex shear modulus of bitumen 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) HMA

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

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

Pbe

Pmm

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 Ps

Aggregate Specific Surface (tỷ diện bề mặt) Ss

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)

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

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

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

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

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

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

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

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.

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...

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,

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

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

nhau.

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*|).

Các chỉ tiêu vật lý và các chỉ tiêu cơ học được sử dụng để đánh giá chất lượng và phân

loại bitum trong xây dựng đường bộ hiện nay.

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 bitum hay khả năng chống

lại biến dạng của bitum dưới tác dụng của tải trọng động hình sin, là tỷ số của giá trị

tuyệt đối của ứng suất cắt lớn nhất (τmax) và biến dạng cắt lớn nhất (γmax) [57], [72], [76].

Giá trị mô đun động |G*|, góc pha và độ nhớt của bitum được sử dụng để phân loại bitum

theo tiêu chuẩn của Hoa Kỳ [70] và dự báo |E*| của BTN theo các phương trình tương

quan thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm [39]. Do vậy, trong phạm vi luận án sẽ tập

trung nghiên cứu các chỉ tiêu này của bitum.

1.2.2 Phương pháp xác định mô đun cắt độngcủa bitum

Mô đun cắt động của 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” [15], [72], [76].

1.2.2.1 Xác định |G*| bằng thiết bị DSR

Khi thí nghiệm |G*| bằng thiết bị DSR, mẫu bitum được chuẩn bị tới nhiệt độ cần thí

nghiệm và đặt giữa hai đĩa song song, một đĩa cố định và một đĩa có thể quay quanh trục

thẳng đứng đi qua tâm đĩa, dưới tác dụng của ứng suất tác dụng hình sin, =o.sin(ωt) sẽ

sinh ra biến dạng hình sin nhưng bị trễ pha so với ứng suất một góc pha (δ) do tính đàn

nhớt của vật liệu bitum, γ=γo.sin(ωt-δ).

Giá trị của |G*| sẽ được xác định bằng tỷ số của ứng suất cắt lớn nhất và biến dạng cắt

lớn nhất trong thí nghiệm, tức là, |G*|=o/γo . Tần số tác dụng của tải trọng trong thí

nghiệm DSR lấy theo tiêu chuẩn AASHTO T 315-12 [72] (10 ±0.1rad/s). Đây là giá trị

tần số phù hợp với ứng xử của vật liệu mặt đường dưới tác dụng tải trọng xe chạy phổ

biến theo nghiên cứu thực nghiệm. Theo Javed Bari và Matthew W. Witcza [39], giá trị

tần số góc 10rad/s được cho là tương ứng với tần số tác dụng của tải trọng bánh xe xuống

mặt đường là 10Hz và giá trị này cũng là giá trị được áp dụng phổ biến trong thí ngiệm

xác định hư hỏng mỏi trong thí nghiệm uốn dầm mẫu BTN theo ASTM D7460. Trong

trường hợp sử dụng tần số khác để thực hiện thí nghiệm thì yêu cầu tần số sử dụng phải

đạt độ chính xác với sai số ±1% [72].

Hình 1.2 nêu nguyên lý thí nghiệm của thiết bị DSR và Hình 1.3 minh họa sự trễ pha

giữa ứng suất tác dụng và biến dạng trong thí nghiệm DSR. Giá trị của |G*| trong thí

nghiệm DSR xác định theo phương trình 1.1 và (|G*|) có thể được phân tích thành hai

thành phần (Hình 1.4) gồm mô đun tổn thất G” (thành phần nhớt) và mô đun dự trữ G’

Hình 1.3: Sự trễ pha giữa ứng suất và biến dạng trong thí nghiệm DSR [47]

(thành phần đàn hồi).

Hình 1.2: Nguyên Lý thí nghiệm cắt động lưu biến (DSR), [76].

G”

|G*|

G” =|G*|. Sinδb;

G’=|G*|. Cosδb;

) δb = ω.∆t=arctan( δb

G’

Hình 1.4: Hai thành phần của mô đun cắt động |G*| của bitum [76]

(1.1)

Trong đó: (1.2)

τmax – Giá trị tuyệt đối của ứng suất cắt lớn nhất, (MPa). (1.3) γmax – Giá trị tuyệt đối biến dạng cắt lớn nhất, (%).

Tmax – Mô men xoắn lớn nhất (N-mm);

r – Bán kính đĩa mẫu (mm); θmax – Góc biến dạng lớn nhất, (rad).

h - Chiều cao mẫu (mm).

|G*| - Mô đun cắt động của bitum, (MPa).

1.2.2.2 Xác định |G*| bằng thiết bị DMA

Thiết bị thí nghiệm gồm các bộ phận chính là Máy nén DMA, buồng ổn nhiệt để duy trì

mẫu ở nhiệt độ thí nghiệm mong muốn và máy tính để điều chỉnh lực tác dụng vào mẫu

và ghi lại kết quả thí nghiệm trong quá trình thực hiện. Chi tiết các bộ phận chính của

Hình 1.5: Thiết bị thí nghiệm MetraviB tại IFSTTAR [15]

thiết bị DMA như Hình 1.5 [15].

Máy nén DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) của hãng MetraviB với khả năng của

đầu đo lực tác dụng lên đến 450 N (khả năng đo lực tác dụng trong khoảng tần số từ 1

Hz đến 200 Hz), và đầu đo chuyển vị lên đến 500 µm.

Theo tiêu chuẩn của pháp XP-T-66-065 [15], việc thí nghiệm xác định |G*| của vật liệu

bitum được thực hiện theo hai hình thức tác dụng lực khác nhau tùy theo phạm vi nhiệt

độ thí nghiệm, trong đó:

Khi xác định |G*| bằng thiết bị DMA sẽ có hai mô hình tác dụng lực vào mẫu bitum tùy

theo khoảng nhiệt độ thí nghiệm. Trong đó, mô hình tác dụng lực theo kiểu kéo- nén

(K/N) áp dụng cho việc thí nghiệm mẫu ở các nhiệt độ ≤20oC (Hình 1.6) và mô hình tác

dụng lực theo kiểu cắt góc (C/G) áp dụng cho việc thí nghiệm mẫu ở phạm vi các nhiệt

Hình 1.6: Nguyên lý thí nghiệm mẫu bitum dạng kéo-nén [15]

Hình 1.7: Nguyên lý thí nghiệm mẫu Bitum dạng cắt góc [15]

độ ≥20oC (hình 1.7).

Khi tác dụng lực theo mô hình kéo nén (Hình 1.6) thì giá trị mô đun động của bitum

(|E*b|) được xác định theo phương trình (1.4) và mô đun cắt động của bitum được xác

định theo giá trị mô đun động (|E*b|) theo phương trình quan hệ tương quan gần đúng

(phương trình 1.5) với giả thiết ở nhiệt độ cao bitum trở thành vật liệu không chịu nén

có hệ số poát xông của bitum xấp xỉ bằng 0.5.

Trong mô hình (C/G) giá trị |G*| được xác định theo phương trình 1.6.

(1.4) ; ; và

(1.5) |Eb*|≈ 2|G*|. (1+μ*) ≈3|G*|.

(1.6) ; và ;

 Trong phương trình (1.4, 1.5) (Mô hình K/N):

E’, E”: Lần lượt là mô đun dự trữ và mô đun tổn thất của bitum trong thí nghiệm theo

mô hình kéo nén (K/N), (Pa).

|Eb*|: Mô đun động của bitum, (Pa) và |G*| mô đun cắt động của bitum, (Pa).

|K|: Mô đun độ cứng của bitum (N/m); δb: Độ trễ pha của ứng suất so với biến dạng, (o)

H và D lần lượt là chiều cao mẫu và đường kính mẫu, (m)

Se: Diện tích mẫu chịu tác dụng của lực trong thí nghiệm (m2). 𝑆𝑒 = 𝜋𝐷2/4

S1: Diện tích xung quanh của mặt ngoài mẫu (m2). 𝑆1 = 𝜋DH và

Fs: Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào kích thước mẫu

 Trong phương trình 1.6 (mô hình C/G):

|K| và δb có ý nghĩa như phương trình 1.4.

G’, G”: Lần lượt là mô đun dự trữ, mô đun tổn thất của bitum, (Pa).

|G*|: Mô đun cắt động của bitum, (Pa).

2r: đường kính pittông (m); 2R: đường kính trong của măng sông (m).

Hc: chiều cao mẫu trong thí nghiệm (C/G), (m) và : hệ số điều chỉnh phụ thuộc kích

thước mẫu.

Nhận xét:

 Cả thiết bị DSR và thiết bị DMA đều có khả năng sử dụng để xác định |G*| và

góc pha của bitum tại các mức nhiệt độ và tần số khác nhau. Tuy nhiên, theo [72]

việc xác định |G*| và góc pha của bitum chỉ được thực hiện ở tần số góc 10rad/s.

Thiết bị DSR sử dụng hệ thống đĩa song song để giữ các mẫu bitum trong quá

trình thí nghiệm nên có khả năng thí nghiệm xác định |G*| và góc pha (δb) của

bitum ở mức nhiệt độ cao cao hơn so với thiết bị DMA, tuy nhiên, do việc thí

nghiệm được tiến hành với hai loại kích cỡ đĩa khác nhau (đĩa to đường kính

25mm và đĩa nhỏ đường kính 8mm. Trong đó đĩa to thường được dùng để làm

thí nghiệm xác định |G*| ở nhiệt độ ≥ 30oC, và đĩa nhỏ thường được dùng để thí

nghiệm xác định |G*| ở các nhiệt độ ≤30oC). Tại nhiệt độ chuyển tiếp có hai kết

quả của |G*| và góc pha khác nhau khá lớn, khó để đánh giá kết quả nào phù hợp

hơn để sử dụng trong tính toán. Như vậy có thể thấy thiết bị DSR phù hợp với

việc thí nghiệm xác định |G*|, góc pha tại từng giá trị nhiệt độ/tần số cụ thể hoặc

với mục đích phân loại bitum theo tiêu chuẩn AASHTO M320 của Hoa Kỳ hơn

là dùng để thí nghiệm xác định |G*| và góc pha của bitum tại các mức nhiệt độ

và tần số khác nhau để xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha phục vụ

việc nghiên cứu.

 Thiết bị DMA có khả năng xác định giá trị của |G*| và góc pha của vật liệu bitum

ở các mức nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung gian và nhiệt độ cao của các loại bitum

và cho kết quả rất chính xác. Không có sự sai lệch nhiều giữa các kết quả thí

nghiệm ở nhiệt độ chuyển tiếp giữa mô hình tác dụng lực (K/N) và mô hình

(C/G), có thể xác định |G*| và góc pha của bitum ở phạm vi tần số rất rộng nên

các đường cong chủ xây dựng trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm rất trơn và thuận,

có thể sử dụng đường cong này để xác định các giá trị |G*| và góc pha (δb) của

bitum ở nhiệt độ/tần số bất kỳ phục vụ các mục đích nghiên cứu và ứng dụng

trong thực tiễn.

1.2.3 Các nghiên cứu về mô đun cắt động và góc pha của bitum

1.2.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới về mô đun cắt động và góc pha của bitum

Có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới đã nghiên cứu về tính chất của bitum (|G*|, góc

pha δb) với mục đích xác định các yếu tố ảnh hưởng tới |G*|, δb để tìm cách cải thiện

chất lượng vật liệu bitum, kiểm soát chất lượng, phân loại bitum theo cấp đặc tính sử

dụng (PG) hay xây dựng các phương trình tương quan thực nghiệm để dự báo |G*|, góc

pha δb thông qua các chỉ tiêu khác. Ví dụ như Van der Poel, 1954 [52], đưa ra khái niệm

về mô đun độ cứng của bitum (tại thời điểm tác dụng tải trọng t, ở nhiệt độ T) St,T là hàm

của tỷ số ứng suất tác dụng và biến dạng ở thời điểm t, nhiệt độ T, việc đô mô đun

độ cứng của bitum dựa vào biến dạng cắt và giá trị mô đun cắt (G) của bitum là tỷ số

của ứng suất cắt và biến dạng cắt. Ngoài ra, Van der Poel cũng xây dựng được toán đồ

dự báo mô đun độ cứng của bitum theo giá trị độ kim lún và điểm hóa mềm của bitum.

Trong chương trình nghiên cứu chiến lược đường bộ của Hoa Kỳ [76]. Trên cơ sở các

nghiên cứu thực nghiệm, Hoa Kỳ đã xây dựng được tiêu chuẩn phân loại bitum theo tiêu

chuẩn AASHTP M320, trong đó các thông số |G*|, δb là các thông số rất quan trọng

trong hệ thống phân loại này.

Trong chương trình nghiên cứu hợp tác đường bộ quốc gia của Hoa Kỳ [32], trên cơ sở

nghiên cứu thực nghiệm, Hoa Kỳ đã xây dựng được mối quan hệ tương quan thực

nghiệm giữa |G*| với độ nhớt, và góc pha δb ở tần số góc 10 rad/s cho các loại bitum

thường, mối tương quan này cho phép dự báo giá trị độ nhớt của bitum sử dụng trong

mô hình Witczak ban đầu sử dụng trong phần mềm cơ học thực nghiệm (ME-PDG,

2002). Trong một nghiên cứu tiếp theo bởi Javed Bari and Matthew W. Witczak đã phát

triển mô hình dự báo góc pha , |G*| mới cho các loại bitum khác nhau gồm cả bitum

thường và bitum cải tiến polymer [38]. Trong nghiên cứu này, phương trình xác định

góc pha δb là hàm của (độ nhớt của bitum ở nhiệt độ thí nghiệm, tần số tác dụng của tải

trọng trong thí nghiệm nghiệm cắt động lưu biến) và giá trị |G*| là hàm của (độ nhớt của

bitum ở nhiệt độ thí nghiệm, tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm cắt động lưu

biến và góc pha δb). Ngoài ra, còn nhiều các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết để

xây dựng các được cong chủ của |G*| và góc pha δb của bitum nhằm mục đích dự báo

|G*| và góc pha δb ở nhiệt độ hay tần số bất kỳ, được phân làm hai nhóm chính là nhóm

các mô hình toán học và nhóm các mô hình cơ học được trình bày ở mục 1.2.4 và trong

chương 2 của luận án.

Các nghiên cứu trên thế giới cho thấy giá trị của |G*| và góc pha của bitum phụ thuộc

vào rất nhiều yếu tố khác nhau như loại bitum, loại phụ gia, tải trọng (độ lớn, tần số và

thời gian tác dụng), nhiệt độ (môi trường địa lý/khí hậu loại bitum sẽ được sử dụng) và

sự già hóa của bitum (do quá trình sản xuất và thi công, cách thức bảo quản lưu trữ vật

liệu hay quá trình khai thác công trình theo thời gian) ... [24], [56], [79].

Các hình dưới đây minh họa ảnh hưởng của nhiệt độ, sự già hóa, tần số và loại phụ gia

Hình 1.8: Mô đun cắt động của một số loại bitum tại các nhiệt độ khác nhau [56]

Hình 1.9: góc pha (δb) của một số loại bitum tại các nhiệt độ khác nhau [56]

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]

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]

sử dụng tới giá trị G* và góc pha (δb) của một số loại bitum khác nhau [56], [79].

Hình 1.12: Giá trị G* của bitum sử dụng các phụ gia khác nhau ở 25oC [79]

Hình 1.13: Giá trị góc pha của bitum sử dụng các phụ gia khác nhau ở 25oC [79]

1.2.3.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam về tính chất của bitum

Tới thời điểm hiện tại, các nghiên cứu về mô đun cắt động của bitum ở Việt Nam còn

rất hạn chế. Đề tài cấp bộ năm 2015 [13] mới chỉ dừng ở việc nghiên phân loại bitum

của Việt Nam theo phương pháp Supperpave. Trong nghiên cứu của tiến sĩ Nguyễn Mai

Lân và các cộng sự mới chỉ nghiên cứu mô đun phức động của bitum bằng thiết bị

(DMA) cho bitum 60/70…

Nhận xét:

Từ Hình 1.4 và các Hình 1.8 –Hình 1.13 có các nhận xét sau:

 Các loại bitum khác nhau có giá trị G* và góc pha δb khác nhau. Bitum thuộc

nhóm có cấp nhiệt độ cao thấp hơn có G* nhỏ hơn và góc pha lớn hơn tại cùng

nhiệt độ, bitum PG82-22 là bitum cải tiến polymer nên thể hiện các tính chất khác

với các loại bitum còn lại (Hình 1.8 và Hình 1.9) [56].

 Nhiệt độ càng tăng, giá G* càng giảm và giá trị góc pha càng lớn và ngược lại.

 Việc già hóa làm tăng giá trị G* nhưng làm giảm giá trị của góc pha, tức là việc

già hòa làm cho bitum trở lên cứng hơn nhưng sẽ có tính đàn hồi kém đi (Hình

1.10 và Hình 1.11).

 Bitum sử dụng phụ gia EVA và SBS có làm tăng giá trị của (G*), cải thiện tính

đàn hồi của bitum ở tần số thấp. Đặc biệt bitum sử dụng phụ gia SBS có khả năng

cải thiện tính đàn hồi của bitum rất tốt (Hình 1.12 ; Hình 1.13).

 Giá trị góc pha càng nhỏ, bitum có tính đàn hồi càng cao, tính nhớt càng giảm và

ngược lại.

1.2.4 Các mô hình xây dựng đường cong chủ (Master curve) của mô đun cắt động

và góc pha (δb) của bitum

Mục đích của việc xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb) là với số lượng

kết quả thực nghiệm hữu hạn có thể mô phỏng được sự thay đổi giá trị |G*| và góc pha

của bitum theo nhiệt độ hoặc tần số, từ đó có thể xác định được giá trị |G*| và góc pha

của bitum ở bất kỳ nhiệt độ/tần số nào phục vụ công tác nghiên cứu hay ứng dụng trong

thực tiễn. Có rất nhiều mô hình có thể sử dụng để xây dựng đường cong chủ của (|G*|)

và góc pha (δb) của bitum trong đó có thể phân loại thành hai nhóm chính là nhóm các

mô hình toán học và nhóm các mô hình cơ học [47], [52]. Các thông tin chi tiết liên

quan tới hai nhóm mô hình này được đề cập trong chương 2 của luận án.

1.2.5 Phương pháp và nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb)

Để xây dựng đường cong chủ của |G*| hoặc góc pha (δb), đầu tiên một nhiệt độ tham

chiếu Tref được lựa chọn, nhiệt độ này có thể là bất kỳ nhiệt độ nào trong số các nhiệt độ

thực hiện để thí nghiệm. Các tần số ở các nhiệt độ khác nhiệt độ tham chiếu sẽ được

nhân với hệ số dịch chuyển theo nhiệt độ aT (fr = f. aT) hay biểu diễn dưới dạng logarit

(phương trình 1.7) [52].

(1.7) Logfr = logf+logaT Trong đó:

fr – Giá trị tần số thay đổi (reduced frequency), (Hz) và f – tần số (Hz)

aT là hệ số dịch chuyển theo nhiệt độ. Có một số phương trình có thể được sử dụng để

xác định hệ số dịch chuyển aT. Ở đây chọn phương trình Williams, Landel và Ferry

(WLF), (The Williams, Landel and Ferry equation). Phương trình (1.8) [52]

(1.8)

Với:

T –nhiệt độ, oC, và Tref là nhiệt độ tham chiếu (oC), C1 và C2 là các hằng số, việc xác

định các hằng số này được thực hiện bằng phần mềm MS Excel theo phương pháp bình

phương tối thiểu.

Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb) được minh họa như các

Hình 1.14 và Hình 1.15 với nhiệt độ tham chiếu là 40oC. Từ các hình vẽ có thể thấy, ở

nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tham chiếu các giá trị của |G*| hay góc pha (δb) dịch sang trái

và ở các nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ tham chiếu thì cần dịch sang phải để tạo thành các

đường cong chủ của |G*| và góc pha.

Hình 1.14: Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |G*|, [52]

Hình 1.15: Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của góc pha, [52]

1.3 Bê tông nhựa

Bê tông nhựa (bê tông asphalt) là hỗn hợp vật liệu khoáng - bitum phối hợp với nhau

theo tỷ lệ hợp lý xác định qua thiết kế hỗn hợp, được rải và đầm chặt tới độ chặt yêu cầu

(thường có yêu cầu Kyc≥98% của dung trọng trong phòng hoặc Kyc≥96% so với giá trị

tỷ trọng lớn nhất của bê tông nhựa (Gmm). Tùy theo nhiệt độ thi công, giá trị độ rỗng

dư (Va), đường kính danh định lớn nhất và chức năng làm việc mà có thể có các loại

bên tông nhựa (BTN) khác nhau. Trong phạm vi luận án chỉ nghiên cứu về bê tông nhựa

chặt (BTNC) là loại BTN dễ thi công và được sử dụng nhiều ở Hoa Kỳ và một số quốc

gia khác, trong đó có Việt Nam.

Chỉ tiêu quan trọng của BTN là giá trị mô đun đàn hồi tĩnh (E), mô đun đàn hồi động

(Mr), và mô đun động |E*|. Trong đó:

 Mô đun đàn hồi tĩnh (E), xác định theo phương pháp thực nghiệm và được sử

dụng để thiết kế mặt đường mềm theo tiêu chuẩn Việt Nam, giá trị biến dạng sử

dụng trong công thức xác định (E) là biến dạng đàn hồi [15].

 Mô đun đàn hồi động (Mr) của BTN được xác định bằng thực nghiệm theo

phương pháp kéo gián tiếp tải trọng lặp, giá trị biến dạng sử dụng trong công thức

xác định (Mr) là biến dạng phục hồi theo phương ngang mẫu. Mô đun đàn hồi

động được sử dụng để thiết kế mặt đường mềm theo tiêu chuẩn Việt Nam [10]

và tiêu chuẩn thiết kế mặt đường AASHTO 1993.

 Mô đun động của BTN |E*| được xác định bằng thực nghiệm hoặc bằng các

phương trình tương quan thực nghiệm với bitum và một số thông số khác. Giá trị

biến dạng sử dụng để xác định |E*| là biến dạng phục hồi theo phương dọc trục.

Mô đun động được sử dụng để phân tích kết cấu mặt đường theo phương pháp

cơ học thực nghiệm của Hoa Kỳ. Trong phạm vi luận án chỉ nghiên cứu về giá

trị mô đun động của các loại BTNC ở Việt Nam.

1.4 Mô đun phức động của bê tông nhựa

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. [51], [67], [73]. Hình 1.16 và hình 1.17 mô tả hai

thành phần của mô đun động và sự trễ pha của biến dạng so với ứng suất trong thí

nghiệm xác định (E*).

Công thức xác định mô đun phức (1.9).

Hình 1.16: Hai thành phần của mô đun động |E*|

Hình 1.17: Sự trễ pha của biến dạng so với ứng suất, [51]

(1.9)

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).

|E*| - Mô đun động của BTN, và E1, E2 là các thành phần thực (thành phần đàn hồi)

và thành phần ảo (thành phần nhớt) của mô đun động.

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*|. Về bản chất

mô đun động |E*| là khả năng chống lại biến dạng phục hồi của BTN dưới tác dụng của

tải trọng động hình sin. Một số tài liệu còn gọi là độ cứng của bê tông asphalt (Asphalt

stiffness) [56], [57], [67], [73]. Ký hiệu |E*|. Công thức xác định mô đun động |E*|,

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.

1.4.3 Phương pháp xác định mô đun động của bê tông nhựa

Mô đun động của BTN được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. Khi cần nghiên

cứu mô đun động với số lượng mẫu lớn, phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi được

áp dụng để đảm bảo mục tiêu là với số lượng mẫu thí nghiệm vừa phải nhưng vẫn đảm

bảo kết quả nghiên cứu có tính khoa học, độ chính xác trong nghiên cứu cao.

Các tiêu chuẩn của Hoa Kỳ (AASHTO TP-62, AASHTO TP-79 và AASHTO T 342)

đều có thể được áp dụng để xác định giá trị |E*| của BTN. Tuy nhiên, trong điều kiện

thực tế ở Việt Nam hiện nay, chỉ có thiết bị của phòng thí nghiệm vật liệu của Trường

ĐHGTVT có khả năng xác định được |E*|. Thiết bị này được phát triển bởi Keith Cooper

and Professor Steven Brown của trường đại học Nottingham, được kiểm định và đánh

giá là đạt yêu cầu thí nghiệm |E*| theo tiêu chuẩn Châu Âu (EN 12697-24, EN 12697-

25 và EN 12697-26) và tiêu chuẩn AASHTO TP-62, do vậy trong nghiên cứu luận án

đã sử dụng thiết bị của phòng thí nghiệm vật liệu của trường ĐHGTVT để xác định |E*|

của các loại BTNC theo tiêu chuẩn AASHTO TP 62. Thiết bị này cài mặc định xác định

|E*| tại các giá trị tần số (0.1 Hz, 0.5 Hz, 1 Hz, 5Hz, 10 Hz và 25 Hz).

Các Hình 1.18 và Hình 1.19 minh họa thí nghiệm |E*| của BTN bằng thiết bị Cooper

của phòng thí nghiệm vật liệu – Trường ĐHGTVT. Tương tự như vật liệu bitum, BTN

có tính đàn nhớt nên luôn có sự trễ pha của biến dạng so với ứng suất. Hình 1.20 minh

họa sự trễ pha của biến dạng so với ứng suất, các chu kỳ ứng suất- biến dạng trong thí

Hình 1.18 Thiết bị cooper của trường ĐHGTVT

Hình 1.19: Thiết bị thí nghiệm |E*| của trường ĐHGTVT

Hình 1.20: Các chu kỳ ứng suất và biến dạng của mô đun động [23]

nghiệm xác định |E*| [23].

1.4.4 Xây dựng đường cong Master curve của mô đun động

Việc xây dựng đường cong master curve (đường cong chủ) của |E*| để có thể xác định

được giá trị |E*| tại nhiệt độ hay tần số bất kỳ. Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của

|E| tương tự như nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |G*|. Các hình 1.21 và Hình

1.22 minh họa nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |E*|. Chi tiết phương pháp xây

dựng đường cong chủ của |E*| được đề cập trong chương 3 của luận án.

Hình 1.22: Đường cong chủ của |E*| [23]

Hình 1.21: Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |E*| [23]

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động của bê tông nhựa

Do BTN là vật liệu được hình thành bởi liên kết vật liệu khoáng –bitum, nên cấp phối

thiết kế, hàm lượng bitum và các chỉ tiêu cơ lý của các vật liệu thành phần đề có ảnh

hưởng tới tính chất của vật liệu BTN, tức là có ảnh hưởng tới giá trị mô đun động của

BTN |E*|. Như vậy, giá trị mô đun động của BTN phụ thuộc vào rất nhiều thông số khác

nhau như tính chất của bitum mà đặc trưng bởi các giá trị (|G*|, độ nhớt, góc pha) , loại

cốt liệu sử dụng để chế tạo mẫu BTN, cấp phối thiết kế, hàm lượng bitum, tỷ lệ bột

khoáng trong hỗn hợp, kích thước cốt liệu thô lớn nhất, nhiệt độ, độ lớn của tải trọng,

tần số tác dụng của tải trọng... Dưới đây là các yếu tố có ảnh hưởng tới giá trị mô đun

động của bê tông nhựa đã được nghiên cứu trên thế giới.

1.5.1 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu bitum

Có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của tính chất vật liệu bitum đến mô đun động của

BTN. Trong một nghiên cứu thực nghiệm ở Bang Washington của Hoa Kỳ cho hỗn hợp

BTN có hàm lượng độ rỗng dư là 4%; 7% và 9% với hai trường hợp (nhiệt độ cao, tần

số thấp) và (nhiệt độ thấp, tần số cao) [65]. Kết quả cho thấy rằng với trường hợp (thí

nghiệm ở nhiệt độ cao, tần số thấp) thì loại bitum mác cao (PG) có ảnh hưởng đáng kể

tới giá trị của mô đun động (Hình 1.23), còn với trường hợp (thí nghiệm ở nhiệt độ thấp,

tần số cao) thì ảnh hưởng của loại bitum tới giá trị mô đun động của BTN không nhiều

Hình 1.24: Ảnh hưởng của loại bitum và mô đun động ở nhiệt độ thấp, tần số cao [65].

Hình 1.23: Ảnh hưởng của loại bitum và mô đun động ở nhiệt độ cao, tần số thấp [65].

(Hình 1.24).

Trong nghiên cứu dự báo mô đun động của BTN theo mô hình ANN (Artificial Neural

Network Modeling) đã sử dụng kỹ thuật phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng của

các thông số đầu vào (loại bitum sử dụng, các thông số liên quan tới hình dạng hạt, tần

số tác dụng của tải trọng và các đặc tính thể tích Va, Vbeff) ảnh hưởng tới giá trị của |E*|

cho 20 hỗn hợp BTN khác nhau. Kết quả cho thấy giá trị mô đun động của BTN (|E*|)

bị ảnh hưởng chủ yếu bởi tính chất của loại bitum sử dụng, các đặc tính thể tích (Va,

Vbeff) và các thông số hình dạng hạt có tương quan rất kém với mô đun động [28].

Trong một nghiên cứu tại bang Oklahoma của Hoa Kỳ [75] đã cho thấy rằng nguồn

bitum, tính chất vật liệu bitum và hàm lượng bitum có ảnh hưởng tới giá trị của mô đun

động và nguồn cốt liệu và thành phần hạt với cùng phân loại của NCDOT Superpave

dường như không có dấu hiệu ảnh hưởng tới giá trị của mô đun động.

Trong các công trình nghiên cứu khác [18], [61], [84]. Kỹ thuật phân tích độ nhạy đã

được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới giá trị |E*| theo các

mô hình dự báo của Hoa Kỳ (mô hình Idaho, mô hình Witczak ban đầu, mô hình Witczak

cải tiến và mô hình Hirsch). Kết quả phân tích độ nhạy đã cho thấy tính chất của bitum

(|G*|, góc pha (δb), độ nhớt (η)) có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị mô đun động. Các

thông số còn lại (các đặc tính thể tích, chỉ tiêu thành phần hạt.) có ảnh hưởng tới giá trị

của |E*| nhưng không nhiều.

1.5.2 Ảnh hưởng của các yếu tố khác

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

Ảnh hưởng của bột khoáng, vôi thủy hóa, thành phần hạt, hình dạng hạt và độ góc cạnh

đã được nghiên cứu [20], [29], [35], [37], [62], [81]. Kết quả các nghiên cứu cho thấy

các yếu tố này có ảnh hưởng nhất định tới giá trị của |E*| ở một mức độ nào đó. Chính

vì vậy mà tiêu chuẩn AASHTO M 323 [71] quy định tỷ lệ bột khoáng trên hàm lượng

bitum có hiệu (filler/Pbe) phải nằm trong phạm vi 0.6-1.2) ngoại trừ BTNC có cỡ hạt

danh định lớn nhất 4.75mm. Các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy giá trị |E*| giảm khi

độ rỗng dư tăng và ngược lại [65], [82]. Xu hướng ảnh hưởng của thành phần hạt tới giá

trị của |E*| không rõ ràng đối với cả hai trường hợp thí nghiệm ở nhiệt độ thấp- tần số

Hình 1.25: Ảnh hưởng của thành phần hạt cốt liệu tới mô đun động của BTN (Nhiệt độ thấp, tần số cao) [65]

Hình 1.26: Ảnh hưởng của thành phần hạt cốt liệu tới mô đun động của BTN (Nhiệt độ cao, tần số thấp) [65]

cao (Hình 1.25) và ở nhiệt độ cao-tần số thấp (Hình 1.26) [65].

1.5.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số tác dụng của tải trọng tới mô đun động

Các nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới đã chỉ ra rằng giá trị mô đun động phụ thuộc

vào nhiệt độ và tần số tác dụng của tải trọng. Giá trị mô đun động giảm khi nhiệt độ tăng

và tần số giảm và ngược lại, điều này là do tính đàn nhớt của bitum đã quyết định tính

đàn nhớt của vật liệu BTN [19], [78], [80].

Như vậy, các nghiên cứu trên thế giới có sự thống nhất là tính chất của vật liệu bitum

có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị mô đun động của bê tông nhựa.

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

Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng tính chất của loại bitum sử dụng

đến mô đun động của BTN để xây dựng các phương trình tương quan thực nghiệm giữa

tính chất của vật liệu bitum được thể hiện thông qua các chỉ tiêu (mô đun độ cứng, |G*|,

độ nhớt, góc pha) với giá trị mô đun động của BTN (|E*|). Mục tiêu là có thể dự báo

|E*| theo các thông số này và một vài thông số của hỗn hợp BTN độ rỗng dư (Va), độ

rỗng cốt liệu, thể tích bitum... Dưới đây là một số nghiên cứu điển hình về các mối quan

hệ thực nghiệm này đã được thực hiện trên thế giới.

1.6.1.1 Các nghiên cứu của tập đoàn Shell

Trên cơ sở các nghiên cứu thực nghiệm, tập đoàn Shell đã nghiên cứu phát triển phần

mềm (BANDS 2.0) cũng như xây dựng được toán đồ dự báo độ cứng của BTN theo các

thông số đầu vào cần các thông số đầu vào gồm mô đun độ cứng của bitum, thể tích

bitum, thể tích cốt liệu trong hỗn hợp gọi là phương pháp Shell.

− Mô đun độ cứng của bitum phục hồi (recovered bitumen) sử dụng, (Pa).

− Thể tích của bitum sử dụng, Vb (%).

− Thể tích của cốt liệu trong hỗn hợp, Vg (%).

Tuy nhiên, phương pháp này chỉ áp dụng được khi mô đun độ cứng của bitum lớn hơn

5MPa (ứng với điều kiện giao thông di chuyển ở tốc độ tương đối cao đảm bảo để ứng

xử của vật liệu phần lớn là ứng xử đàn hồi), và dựa trên giả thiết rằng chỉ loại cấp phối,

kiểu và các đặc tính cốt liệu ảnh hưởng tới mô đun độ cứng của hỗn hợp [57].

1.6.1.2 Nghiên cứu của viện Asphalt Hoa Kỳ (Asphalt Institute method)

Vào năm 1979, các tác giả Hwang và Witczak đã xây dựng công thức xác định mô đun

động của BTN tương tự như phương pháp dự báo mô đun độ cứng của hỗn hợp BTN

của Shell, nhưng có bổ sung thêm các thông số gồm:

− P200: phần trăm lượng lọt sàng số 200, (0.075mm).

− Tần số tác dụng của tải trọng f, (Hz).

Các thông số khác gồm Va, Vb là % theo thể tích có ý nghĩa như của phương pháp Shell

(mục 1.6.1.1). Ngoài ra, phương pháp của Viện Asphalt Hoa Kỳ sử dụng độ nhớt của

loại bitum sử dụng (không phải bitum phục hồi từ hỗi hợp đã trộn).

Dạng phương trình tổng quát dự báo mô đun động của BTN của viện Asphalt Hoa Kỳ

như phương trình (1.11).

(1.11) |E*| = f(P200, Va,Vb, f, T, η)

Với Va, Vb có ý nghĩa như mục 1.6.1.1, P200, f, lần lượt là hàm lượng lọt sàng số 200

và tần số của tải trọng tác dụng, η- là độ nhớt của bitum sử dụng ở 70oF (21.1oC), đơn

vị độ nhớt tính bằng poise và T là nhiệt độ, (oF) [57].

1.6.1.3 Các nghiên cứu khác đã thực hiện ở Hoa Kỳ

Ở Hoa Kỳ đã có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành để nghiên cứu về mối

quan hệ giữa giá trị mô đun động của BTN với các thông số đầu vào khác nhằm mục

đích phục vụ cho công tác thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm.

Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm, Hoa Kỳ đã xây dựng được một số mô hình dự báo

mô đun động của BTN để sử dụng cho việc thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ

học thực nghiệm như một số mô hình dưới đây.

 Mô hình Witczak truyền thống (Traditional Witczak E* predictive model)

Mô hình này được xây dựng trên cơ sở dữ liệu của 2750 giá trị mô đun động của 205

hỗn hợp BTN khác nhau được thí nghiệm trên 30 năm và có thể dùng để dự báo giá trị

của mô đun động của vật liệu BTN sử dụng bitum thường và bitum polymer.

Mô hình này cũng đã từng được sử dụng trong phần mềm thiết kế mặt đường mềm theo

phương pháp cơ học thực nghiệm [31], [32], [40], [65], [83].

Theo mô hình này, phương trình dự báo mô đun động của BTN có dạng:

(1.12) |E*| = f(P200, P4, P3/8 , P3/4 , Va,Vbeff, f, η(loại bitum,nhiệt độ)

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 – Giá trị độ rỗng dư của hỗn hợp BTN (%).

Vbeff – Phần trăm hàm lượng nhựa có hiệu (có ích) của BTN theo thể tích.

f – Tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm |E*|, (Hz). Tần số này được giả

thiết có quan hệ với tần số trong thí nghiệm |G*|, fc theo phương trình 1.13 [39], [61].

(1.13) f=2πfc

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 dựa trên cơ sở dữ

liệu mô đun động xác định qua thí nghiệm nhiều hơn (7400 giá trị mô đun động của 346

hỗn hợp BTN). Theo mô hình này, ảnh hưởng của tính chất vật liệu bitum sử dụng tới

giá trị mô đun động của BTN được phản ánh thông qua hai giá trị là mô đun cắt động

|G*| và góc pha δb của bitum. Hai giá trị này được xác định bằng thí nghiệm sử dụng

thiết bị (DSR). Mô hình này hiện nay đang được sử dụng trong chương trình thiết kế

mặt đường mềm theo (ME) [40], [65], [83].

Phương trình dự báo |E*| (Phương trình 1.14).

(1.14) |E*| = f(P200, P4, P3/4 ,P3/8 ,Va,Vbeff, f, |G*|, δb)

Với |G*| – Mô đun cắt động của bitum (Pound/in2), 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 được phát triển bởi Christensen và một số tác giả khác, đây 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. Trên cơ sở 18 hỗn hợp BTN sử dụng 8 loại

bitum khác nhau (trong đó có 2 loại bitum polymer) và 5 cấp phối và cỡ hạt danh định

lớn nhất (Dmax=9.5mm; Dmax=19mm và Dmax=37.5mm) [31], [65], [83].

Qua thí nghiệm thu thập được 206 dữ liệu, đã xây dựng được phương trình dự báo |E*|

và góc pha của BTN là hàm của đặc trưng thể tích và mô đun cắt độngcủa bitum theo

phương trình 1.15.

(|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- rỗng cốt liệ Độ u, (%).

 Mô hình định luật của các hỗn hợp tương đương (Al-khateeb Model)

Mô hình này được xây dựng trên cơ sở mô hình Hirsh với nguyên lý tương tự như mô

hình Hirsh. Al-khateeb và các cộng sự khác đã nghiên cứu thực nghiệm để phát triển mô

hình này với các nghiên cứu cả ở trong phòng thí nghiệm và hiện trường. Kết quả nghiên

cứu xây dựng được phương trình dự báo |E*| cũng là hàm của các đặc trưng thể tích của

BTN (VMA) và mô đun cắt động của loại bitum sử dụng [83]. Dạng của phương trình

(|E*|) = f(VMA, |G*|)

(1.16)

dự báo |E*| như phương trình 1.16.

Từ phương trình trên, có thể thấy, mô hình này là một dạng đơn giản của mô hình Hirsh.

Hiện nay, việc nghiên cứu và kiểm định các mô hình dự báo mô đun động cho các bang

khác nhau vẫn tiếp tục được thực hiện ở Hoa Kỳ.

1.6.1.4 Phân tích độ nhạy cho mô hình dự báo |E*| của đại học Dhofar (Dhofar

University, Salalah, Oman)

Ahmad M. Abu Abdo đã thực hiện kỹ thuật phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng

của các thông số đầu vào tới giá trị |E*| (trong đó có tính chất của loại bitum sử dụng)

cho mô hình Idaho [18]. Dạng của phương trình dự báo |E*| theo mô hình này có dạng

tổng quát như phương trình 1.17.

(1.17) (|E*|) = f(|G*|,Pb, GS,Gmb, ρw )

Trong đó:

|E*|, |G*| - Lần lượt là mô đun động của BTN và mô đun cắt động của bitum, (Mpa).

Pb- hàm lượng bitum trong hỗn hợp, và ρw là tỷ trọng của nước (Kg/m3).

Gmb- Tỷ trọng thể tích (Bulk specific gravitiy) của BTN.

GS là độ ổn định xoay của BTN, KN.m.

Kết quả nghiên cứu thể hiện bằng biểu đồ Tornaddo (Hình 1.27). Từ vẽ cho thấy tính

chất của loại bitum (|G*|) có ảnh hưởng nhiều nhất tới |E*|, sau đó là độ rỗng dư và các

Hình 1.27: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mô hình Idaho [18]

thông số khác.

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*|

Để xác định xem các mô hình dự báo |E*| ở Hoa Kỳ có phù hợp với các loại BTN điển

hình ở Úc hay không, Các nhà khoa học của Úc đã nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá

tính khả thi của việc sử dụng các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ vào điều kiện vật liệu

địa phương của Úc. Ngoài ra, kỹ thuật phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng của các

thông số đầu vào tới giá trị của |E*| với các mô hình (Witczak ban đầu, Witczak cải tiến

và mô hình Hirsch) cũng được áp dụng [61]. Kết quả phân tích độ nhạy cho các mô

Hình 1.28: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mô hình Witczak ban đầu [61]

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

hình này được thể hiện như các Hình 1.28- Hình 1.30.

Qua các Hình 1.28 –Hình 1.30 cho

thấy tính chất của loại bitum có ảnh

hưởng nhiều nhất tới giá trị |E*|.

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

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy cần phải có thêm các nghiên cứu thực nghiệm để điều

chỉnh lại các hệ số trong các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ vào điều kiện vật liệu địa

phương của Úc [61].

1.6.1.6 Nghiên cứu về ảnh hưởng của loại bitum tới mô đun động của bê tông nhựa

ở Hàn Quốc

Để nghiên cứu về ảnh hưởng của loại bitum tới giá trị |E*| của BTN ở Hàn Quốc. Một

số nghiên cứu đã được thực hiện với 3 cấp phối chặt có cỡ hạt danh định lớn nhất là

(Dmax=12.5mm, Dmax=19mm và Dmax=25mm) và một cấp phối SMA 12.5mm. Hai

loại bitum được sử dụng trong nghiên cứu là PG58-22 và PG64-22 [84]. Kết quả nghiên

cứu xây dựng được phương trình dự báo |E*| là hàm của thành phần hạt của một số cỡ

(1.18)

|E*| = f(P200, P4, P3/8 , P3/4 , Va,Vbeff, f, η(loại bitum,nhiệt độ)

hạt đặc trưng tương tự như phương trình trong mô hình Witczack, phương trình 1.18

Ý nghĩa của các ký hiệu trong phương trình 1.17 như nêu phương trình 1.12 ở mục

(1.6.1.3).

Nhận xét:

So với mô các mô hình dự báo hiện nay của Hoa Kỳ (các mô hình Witczak, mô hình

Hirsch), thì việc dự báo mô đun động (mô đun độ cứng) của BTN theo phương pháp

Shell (mục 1.6.1.1), phương pháp của viện Asphalt Hoa Kỳ (mục 1.6.1.2) và các nghiên

cứu của Úc (1.6.1.5) và Hàn Quốc (1.6.1.6) có môt số ưu điểm và hạn chế sau:

 Phương pháp Shell

Phương pháp Shell dự báo mô đun độ cứng của hỗn hợp trên cơ sở thông số đầu vào là

(độ cứng của loại bitum sử dụng đã phục hồi, thể tích bitum sử dụng, và thể tích cốt

liệu). Phương pháp này ít thông số đầu vào, đơn giản, dễ áp dụng, tuy nhiên có một số

hạn chế sau:

− Do độ cứng của loại bitum sử dụng (phục hồi từ hỗn hợp) được xác định dự theo

chỉ số độ kim lún, mà chỉ số độ kim lún được tính toán theo các công thức kinh

nghiệm là hàm của độ kim lún và nhiệt độ của điểm hóa mềm lên độ chính xác

kém. Hơn nữa, do sử dụng độ cứng của bitum phục hồi, nên cần phải sử dụng

thiết bị để phục hồi lượng bitum trong hỗn hợp, sau đó mới xác định được giá trị

độ kim lún, điểm hóa mềm của bitum.

− Việc sử dụng các thông số thể tích bitum sử dụng, thể tích cốt liệu để dự báo độ

cứng của hỗn hợp cũng là một hạn chế do một phần bitum bị cốt liệu hút vào, chỉ

có hàm lượng bitum có hiệu mới có ảnh hưởng tới tính đàn nhớt của hỗn hợp.

Hỗn hợp BTN sử dụng sự phối hợp của nhiều cỡ hạt cốt liệu khác nhau, tỷ trọng

khác nhau lên xác định thể tích cốt liệu sử dụng cũng có sai số nhất định.

− Phương pháp Shell chỉ áp dụng trong trường hợp mô đun độ cứng của bitum lớn

hơn 5Mpa (ứng với tốc độ xe chạy thông thường trên đường), trong khi thực tế

khai thác, mô đun độ cứng của bitum có thể nhỏ hơn khi ở nhiệt độ cao, tốc độ

xe chạy thấp.

 Phương pháp của viện Asphalt Hoa Kỳ

Phương pháp dự báo mô đun động của Viện Asphalt Hoa Kỳ có một số cải tiến so với

phương pháp Shell như không hạn chế giá trị mô đun độ cứng của bitum trong phương

trình dự báo, đưa các thông số tần số, nhiệt độ, lượng lọt sàng 200 vào phương trình dự

báo, dạng mô hình dự báo đơn giản. Tuy nhiên, với thông số độ nhớt của bitum chỉ xét

ở (77oF), trong khi điều kiện làm việc thực tế, nhiệt độ mặt đường vào mùa hè có thể có

nhiệt độ cao hơn 77oF rất nhiều nhưng vấn đề này lại chưa được xét tới.

Việc xác định độ nhớt theo phương trình tương quan thực nghiệm với độ kim lún chắc

chắn sẽ cho kết quả dự báo kém chính xác, vì phương pháp độ kim lún là phương pháp

kinh nghiệm còn nhiều hạn chế, không phản ánh đúng bản chất tính đàn nhớt của bitum.

Ngoài ra, việc sử dụng các giá trị thể tích bitum, thể tích cốt liệu trong mô hình dự báo

là các điểm hạn chế của mô hình này tương tự như đã phân tích trong mô hình của Shell

ở trên.

 Các nghiên cứu về mô đun động của BTN ở Úc và Hàn Quốc

Các nghiên cứu về |E*| của Úc (mục 1.6.1.5) và của Hàn Quốc (mục 1.6.1.6), thực chất

là các nghiên cứu để kiểm định và hiệu chỉnh lại các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ

theo điều kiện vật liệu địa phương của các quốc gia này, nên có ưu điểm tận dụng thành

tựu nghiên cứu của Hoa Kỳ, sử dụng các thông số đầu vào chặt chẽ, đặc biệt là loại

bitum sử dụng phù hợp với điều kiện khí hậu và địa lý lên có độ tin cậy cao hơn.

Nghiên cứu ở Hàn Quốc đã hiệu chỉnh xong các hệ số trong các mô hình dự báo |E*|

trên cơ sở các nghiên cứu thực nghiệm theo điều kiện vật liệu địa phương, còn các nghiên

cứu ở Úc mới chỉ khẳng định rằng, cần có nghiên cứu thêm để hiệu chỉnh lại các mô

hình trong các phương trình dự báo |E*| trước khi áp dụng vào thực tiễn.

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

Ở 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. Đề tài cấp bộ năm 2015 (DT 154015) [13] chỉ dừng ở việc nghiên

cứu phân loại nhựa đường theo (PG) và đề xuất áp dụng trong xây dựng đường bộ ở

Việt Nam. Đề tài cấp bộ năm 2017 (DT174055) mới tập trung vào việc đánh giá tính

khả thi về việc áp dụng phương pháp (ME) trong thiết kế mặt đường ở Việt Nam cũng

như phân tích các ưu điểm của nó, đề tài cũng nêu rõ để áp dụng phương pháp (ME)

trong phân tích kết cấu mặt đường ở Việt Nam cần có nghiên cứu thực nghiệm để “địa

phương hóa các thông số đầu vào” mà một trong số các thông số đầu vào rất quan

trọng của phương pháp (ME) là giá trị của |E*|, |G*| và góc pha (δb). Một số nghiên

cứu của Viện khoa học GTVT [14] cũng đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm xác định

các giá trị của |G*| và góc pha (δb) của một số loại bitum khác nhau nhằm mục đích xác

định xem các loại bitum đang được sử dụng ở Việt Nam hiện nay (40/50; 60/70; PMBI;

PMBII; PMBIII) thuộc phân cấp nào trong tiêu chuẩn AASHTO M320. Tới thời điểm

hiện tại chưa có nghiên cứu cụ thể và chuyên sâu về |G*|, |E*| mối quan hệ tương quan

thực nghiệm giữa |G*| và |E*| theo một số mô hình dự báo |E*| được xây dựng bởi Hoa

Kỳ.

1.7 Ảnh hưởng của mô đun động của bê tông nhựa tới đặc trưng khai thác

của mặt đường mềm

Đặc trưng khai thác của mặt đường mềm là sự suy giảm cường độ mặt đường theo thời

gian gây ra một số dạng hư hỏng thường xảy ra trong quá trình khai thác, ví dụ hư hỏng

hằn lún vệt bánh xe, nứt phân bố, nứt nhiệt, không thỏa mãn về chỉ số độ gồ ghề IRI…

Trong một nghiên cứu sử dụng kỹ thuật phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng của

các thông số đầu vào tới đặc trưng khai thác của mặt đường có thể dự báo theo phương

pháp (ME) của Hoa Kỳ đã cho thấy rằng mô đun động của BTN (|E*|), có ảnh hưởng

rất lớn tới các đặc trưng khai thác của mặt đường mềm gồm nứt phân bố, hằn lún vệt

bánh xe ở mức độ nhạy cao và với chỉ số độ gồ ghề quốc tế (IRI) ở mức độ “rất nhạy”.

Với đặc trưng nứt nhiệt thì ảnh hưởng của |E*| nhỏ hơn nhưng vẫn được ở mức độ nhạy.

Như vậy giá trị |E*| có ảnh hưởng lớn tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt đường

mềm [59].

1.8 Những vấn đề cần giải quyết trong luận án

1.8.1 Các vấn đề tồn tại cần giải quyết

Trên cơ sở các phân tích ở trên cho thấy rằng các nghiên cứu về đặc tính của vật liệu

bitum (|G*|, góc pha (δb)) tuy có thực hiện tại một số nghiên cứu ở Việt Nam nhưng ở

mức độ thí nghiệm còn rất ít và chủ yếu với mục đích nhằm xác định xem các loại bitum

đang sử dụng ở Việt Nam nằm trong nhóm nào theo phân loại bitum của Hoa Kỳ

(AASHTO M 320) [70]; hay phân vùng khí hậu để chọn mác bitum cho phù hợp theo

[13]. Các nghiên cứu về mô đun động của BTN cũng vậy, mới chỉ dừng ở một số rất ít

thí nghiệm trong phạm vi nghiên cứu của đề tài thạc sĩ, 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*|. Ngay cả việc áp dụng phương pháp Taguchi trong thiết kế thí nghiệm (DOE)

nhằm xác định các tổ mẫu thí nghiệm |E*| một cách khoa học và phù hợp trong nghiên

cứu thực nghiệm cũng là vấn đề còn mới trong lĩnh vực nghiên cứu thực nghiệm nói

chung và lĩnh vực nghiên cứu thực nghiệm cho vật liệu BTN nói riêng.

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 để phục vụ cho việc áp dụng phương pháp

(ME) để phân tích kết cấu mặt đường mềm ở Việt Nam trong tương lai.

1.8.2 Phương pháp nghiên cứu để đạt được mục tiêu

Để đạt được mục tiên là nghiên cứu ảnh hưởng của loại bitum đến mô đun động của

BTNC ở Việt Nam, phương pháp nghiên cứu sẽ là nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu

thực nghiệm. Trong đó:

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

 Việc nghiên cứu lý thuyết sẽ tập trung phân tích về mô đun cắt động |G*|, góc

pha (δb) của bitum và mô đun phức động của bê tông nhựa |E*| đã được công bố

trên các tạp chí khoa học Quốc tế cũng như các tài liệu chuyên ngành liên quan.

Tìm hiểu bản chất của |G*|, |E*| và các yếu tố ảnh hưởng tới |G*| và |E*| cũng

như nguyên lý thí nghiệm, thiết bị thí nghiệm để xác định các giá trị |E*| của bê

tông nhựa và |G*| của bitum.

 Nghiên cứu về các mô hình xây dựng đường cong chủ của |G*| và |E*|, trên cơ

sở đó lựa chọn mô hình phù hợp để xây dựng đường cong chủ của |G*|, góc pha

của biutm (sẽ trình bày cụ thể trong chương 2) và mô hình xây dựng đường cong

chủ của |E*| (trình bày trong chương 3).

 Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp thiết kế thí nghiệm (Design of experiment,

“DOE”) để xác định được số tổ mẫu thí nghiệm phù hợp cần phải thực hiện để

tiết kiệm thời gian và kinh phí trong khi vẫn đảm bảo độ tin cậy trong công tác

nghiên cứu thực nghiệm.

 Nghiên cứu về mối quan hệ của các loại bitum tới mô đun động của BTN đã thực

hiện và công bố trên các bài báo khoa học Quốc tế, các tài liệu chuyên ngành và

phần mềm cơ học thực nghiệm (ME-PDG), trong đó chủ yếu tập trung vào các

mô hình các phương trình dự báo của Hoa Kỳ gồm mô hình Witczack đầu tiên,

mô hình Witczack cải tiến và mô hình Hirsh là những mô hình đã được áp dụng

trong thực tiễn ở Hoa Kỳ.

1.8.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm

 Nghiên cứu thực nghiệm xác định các giá trị |G*| và góc pha của các loại bitum

điển hình ở Việt Nam (40/50; 60/70; PMBIII) và một loại bitum độ quánh cao

theo tiêu chuẩn châu Âu để so sánh (bitum 35/50).

 Thiết kế thí nghiệm (DOE) xác định số tổ mẫu thí nghiệm cần thiết để nghiên

cứu thực nghiệm về |E*| của các loại BTNC ở Việt Nam.

 Phân tích kết quả, xử lý thống kê và xây dựng mối quan hệ giữa tương quan giữa

|E*| và |G*| theo các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ. Phân tích kết quả và đánh

giá mức độ chính xác của các mô hình này so với kết quả thực nghiệm theo tiêu

chuẩn thống kê, đánh giá tính khả thi của việc áp dụng các mô hình dự báo này

vào các loại BTN điển hình ở Việt Nam.

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

 Từ kết quả nghiên cứu |E*| và |G*| mô hình hóa một số kết cấu điển hình đang

được áp dụng phổ biến ở Việt Nam.

 Phân tích bằng phương pháp cơ học thực nghiệm để rút ra kết luận kiến nghị về

thiết kế kết cấu áo đường mềm ở Việt Nam.

1.8.3 Nội dung nghiên cứu

Để giải quyết được các vấn đề còn tồn tại như đã nêu ở mục 1.7.1, luận án sẽ tập trung

nghiên cứu cụ thể các nội dung sau:

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

ở Việt Nam

 Việc nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa các loại bitum được thực hiện đối

với các loại bitum điển hình ở Việt Nam (40/50; 60; PMBIII) và có sử dụng một

loại bitum có độ quánh cao của Cộng hòa Pháp (bitum 35/50) với mục tiêu so

sánh hai loại bitum có độ quánh cao với nhau. Trên cơ sở các kết quả thực

nghiệm, xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb) của các loại bitum và

sơ bộ xác định các loại bitum nghiên cứu thuộc mác bitum nào trong phân cấp

đặc tính sử dụng theo phương pháp (PG) của Hoa Kỳ.

 Dựa vào các đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb), xác định các giá trị |G*|

và góc pha (δb) ở các nhiệt độ và tần số cần thiết phục vụ cho việc xây dựng mối

quan hệ tương quan thực nghiêm giữa |E*| và |G*| trong chương 3 của luận án.

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.

Để nghiên cứu mối quan hệ giữa |G*| với |E*| của các loại BTNC ở Việt Nam cần thực

hiện các bước cụ thể sau:

 Lựa chọn vật liệu: Ngoài các loại bitum đã được lựa chọn như đề cập ở mục

1.7.3.1, các loại cốt liệu sử dụng trong nghiên cứu sẽ gồm ba loại đá (Đá bazan

(mỏ đá hataco Quốc Oai - Hà Nội), Đá granit (Mỏ khe dầu, Tỉnh Hà Tĩnh) và đá

vôi (Mỏ Phú Hà, Thanh Liêm- Hà Nam); bột khoáng có nguồn gốc đá vôi (mỏ

Gọng Vối, xã Thanh Sơn, huyện Kim Bảng, tỉnh Hà Nam).

 Lựa chọn cấp phối thiết kế và loại BTNC để nghiên cứu: Phạm vi luận án sử dụng

hai loại BTNC (BTNC 12.5 và BTNC 19).

 Xác định hàm lượng bitum tối ưu cho BTNC 12.5 và BTNC 19 cho các cấp phối

điển hình.

 Thiết kế thí nghiệm (DOE) để xác định tổ mẫu thí nghiệm trên cơ sở hàm lượng

bitum của thiêt kế điển hình với bước thay đổi hàm lượng bitum ±0.3% theo tổng

trọng lượng hỗn hợp.

 Nghiên cứu thực nghiệm xác định |E*| của các loại BTNC tại phòng thí nghiệm

vật liệu –Bộ môn Vật liệu xây dựng, trường ĐHGTVT.

 Phân tích số liệu, xử lý thống kê và đánh giá kết quả thực nghiệm so với kết quả

dự báo |E*| theo các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ (Mô hình Witczak ban đầu,

mô hình Witczak cải tiến, mô hình Hirsch).

 Đánh giá tính khả thi của các mô hình dự báo, đề xuất các hệ số trong các mô

hình dự báo |E*| theo điều kiện vật liệu của Việt Nam. Kiến nghị chọn mô hình

dự báo |E*| ở Việt Nam.

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

 Trên cơ sở kết quả nghiên cứu thực nghiệm về |G*|, |E*| của các loại bitum và

các loại BTNC ở Việt Nam, phân tích ứng xử của kết cấu mặt đường theo phương

pháp (ME) tại một dự án cụ thể ở Hải Phòng.

 Phân tích kết quả ứng xử ứng với các trường hợp khác nhau, nhận xét kết quả và

rút ra kết luận, kiến nghị các thực hiện các nghiên cứu tiếp theo.

Nội dung và chi tiết các bước nghiên cứu trong luận án để đạt được mục tiêu được thể

hiện trong sơ đồ khối sau.

Kết Luận chương 1

− Các nghiên cứu trên thế giới cho thấy giá trị mô đun cắt động |G*|, cùng với góc

pha của bitum phản ánh đúng bản chất vật liệu bitum là vật liệu có tính đàn nhớt,

thông qua các giá trị |G*|, góc pha của bitum có thể đánh giá chất lượng cũng như

phân loại bitum một phù hợp nhất.

− Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới giá trị mô đun động của BTN, tuy nhiên, tính chất

của loại bitum sử dụng có ảnh hưởng nhiều nhất.

− Các nghiên cứu về mối quan hệ giữa tính chất của bitum với mô đun động của

BTN, (|E*|) đã được thực hiện nhiều ở Hoa Kỳ và một số quốc gia khác trên thế

giới. Tuy nhiên, các nghiên cứu này được thực hiện theo điều kiện vật liệu địa

phương, khí hậu cụ thể của từng quốc gia đó. Do vậy cần phải có các nghiên cứu

thực nghiệm cụ thể để đánh giá và hiệu chỉnh lại các hệ số trong các mô hình dự

báo |E*| theo tính chất của loại bitum sử dụng cho phù hợp với điều kiện cụ thể

của 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 ĐỘNG VÀ GÓC PHA CỦA MỘT SỐ LOẠI BITUM Ở VIỆT NAM

Khái niệm và bản chất về mô đun cắt động của bitum |G*| đã được trình bày trong

chương 1 (Tổng quan về ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của bê tông

nhựa). Giữa Mô đun cắt động của bitum |G*| và mô đun động của BTN “Dynamic

modulus” |E*| có mối quan hệ thực nghiệm theo một số mô hình đã được nghiên cứu ở

Hoa Kỳ gồm có các mô hình Witczak (Witczak truyền thống, Witczak cải tiến) và mô

hình Hirsh... [31], [65], [83].

Tuy nhiên, các phương trình tương quan thực nghiệm giữa |G*| và |E*| của Hoa Kỳ được

xây dựng trên cơ sở vật liệu địa phương, nên cần có nghiên cứu và đánh giá xem các mô

hình này có phù hợp để áp dụng vào Việt Nam hay không. Do vậy cần phải tiến hành

các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về |G*| và |E*| đối với các loại vật liệu liên

quan ở Việt Nam.

Chương 2 sẽ tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về |G*| và góc pha (δb) của một số loại

bitum đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay cùng với một số loại bitum có

độ quánh cao dự kiến sẽ được sử dụng ở Việt Nam trong thời gian tới để phục vụ mục

đích xây dựng mối quan hệ tương quan thực nghiệm giữa tính chất của loại bitum sử

dụng và mô đun động của BTN trong chương 3 của luận án.

Với các mục tiêu này, nội dung của chương 2 sẽ bao gồm các bước được thể hiện theo

sơ đồ khối sau:

2.1. Lựa chọn vật liệu bitum

Ở Việt Nam hiện nay chủ yếu vẫn sử dụng loại bitum thường có mác bitum được phân

loại theo giá trị của độ kim lún là bitum 60/70. Tuy nhiên, trong những năm gần đây,

do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và sự gia tăng các phương tiện giao thông, dạng hư

hỏng hằn lún vệt bánh xe trên mặt đường BTN xảy ra khá phổ biến ở rất nhiều công

trình sau khi đưa vào khai thác trong thời gian rất sớm, việc nghiên cứu và áp dụng các

loại bitum có độ quánh cao hay bitum polymer cho các công trình có nhiều xe tải nặng

và lượng giao thông cao, các quốc lộ chính ở các đoạn đi qua các khu vực có nhiệt độ

cao là xu hướng tất yếu. Bộ Giao thông vận tải cũng đã ban hành một số công văn và

chỉ thị chỉ đạo về việc quản lý chất lượng và nghiên cứu lựa chọn loại vật liệu bitum có

độ quánh cao để phù hợp với điều kiện khai thác [5], [6].

Trong báo cáo tổng kết nghiên cứu khoa học công nghệ cấp bộ năm 2015 [13], đã xây

dựng được bản đồ phân loại mác bitum PG cho 63 tỉnh/thành phố và 4 đảo. Kết quả

nghiên cứu cho thấy, ứng với độ tin cậy 98% trong tính toán nhiệt độ để phân loại bitum

theo tiêu chuẩn AASHTO M320 [70] ngoại trừ hai tỉnh miền núi là Sapa và Lâm Đồng

có mác bitum phân loại theo PG khi chưa xem xét các yếu tố cần hiệu chỉnh (điều kiện

giao thông, dèo dốc) là PG58-16. Tất cả các tỉnh/thành phố còn lại đều có mác bitum

phân loại theo điều kiện khí hậu là PG64-16. Như vậy, với các công trình giao thông có

lưu lượng xe lớn, có tốc độ dòng xe di chuyển chậm (20Km/h ≤V<70Km/h) thì sau khi

điều chỉnh, mác bitum phù hợp sẽ tăng lên hai cấp, tức là PG76-16. Ứng với mác này

thường là bitum cải tiến có sử dụng phụ gia polymer, điều này càng cho thấy sự cần thiết

phải sử dụng bitum polymer để nâng cao chất lượng các công trình giao thông có lưu

lượng xe lớn, các vị trí gần trạm thu phí, điểm dừng đỗ xe.

Trong thực tế, ở Việt Nam một số công trình đã triển khai sử dụng bitum polymer hoặc

sử dụng phụ gia polymer cho BTNC lớp mặt để nâng cao chất lượng và tuổi thọ. Điển

hình như các công trình Đường cao tốc Hà Nội – Hải Phòng, dự án nâng cấp Quốc lộ 1

đoạn Nghi Sơn (Km368+400) - Cầu Giát (Km402+330).

Trên cơ sở các phân tích đã nêu trên, các loại bitum sau được lựa chọn để nghiên cứu,

đó là:

 Bitum thường, độ kim lún 60/70.

 Bitum độ quánh cao của nhà cung cấp ADCo (độ kim lún 40/50).

 Bitum có độ quánh cao của Cộng Hòa Pháp (độ kim lún 35/50).

 Bitum polymer III.

2.2. Xác định các chỉ tiêu vật lý của vật liệu bitum

Việc xác định các chỉ tiêu vật lý của vật liệu bitum được thực hiện tại được thực hiện

hiện ở phòng thí nghiệm kiểm định trọng điểm trường Đại học GTVT (LAS XD 1256).

Kết quả thí nghiệm cho thấy các loại bitum sử dụng trong nghiên cứu đều đạt các yêu

cầu theo quy định và tiêu chuẩn hiện hành (TCVN 7493: 2005 [1], thông tư số

27/2014/TT – BGTVT [8] với các loại bitum thường và tiêu chuẩn 22TCN 319-04 với

bitum PMBIII [11]). Một số chỉ tiêu cơ bản của các loại bitum này được tổng hợp trong

bảng 2.1.

Bảng 2.1: Một số chỉ tiêu vật lý cơ bản của các loại bitum

Điểm hóa

STT

Loại bitum

Độ đàn hồi ở 25oC (%) (mẫu kéo dài

Độ kim lún ở 25oC (0.1mm)

Độ kéo dài ở 25oC (cm) (5cm/phút)

Tỷ trọng Gb

10cm)

60/70

62(60-70)

mềm (dụng cụ vòng và bi, oC) 49.1(46)

>100 (≥100)

1.031

40/50

46(40-50)

53.2(49)

>100 (≥100)

1.027

35/50

40(35-50)

53.2(49)

>100(≥100)

1.030

PMBIII

52(40-70)

90.2(80)

1.028

97 (≥70)

 Phần trong ngoặc là yêu cầu của tiêu chuẩn kỹ thuật/thông tư số 27/2014/TT – BGTVT.  Tiêu chuẩn BS EN 12591:2009 yêu cầu điểm hóa mềm bitum 35/50 từ 50-58oC [25].  Chi tiết thí nghiệm vật liệu bitum được đề cập trong phụ lục số 1.

2.3. Xác định mô đun cắt độngvà góc pha của bitum

2.3.1 Lựa chọn thiết bị thí nghiệm

Như đã đề cập trong chương 1, hiện nay trên thế giới có hai loại thiết bị phổ biến được

sử dụng để xác định |G*| và góc pha (δb) của bitum. Đó là thiết bị DSR (Dynami shear

Rheometer) và thiết bị phân tích cơ học động DMA “Dynamic Mechanical Analyzer”

[15], [72], [76].

Thiết bị phân tích cơ học động (DMA), như đã trình bày ở mục 1.3.2, có khả năng xác

định giá trị của |G*| và góc pha của vật liệu bitum ở các mức nhiệt độ thấp, nhiệt độ

trung gian và cả nhiệt độ cao với kết quả có độ chính xác cao, không có sự sai lệch nhiều

giữa các kết quả thí nghiệm ở nhiệt độ chuyển tiếp (20oC). Ngoài ra, thiết bị này có thể

xác định chính xác giá trị |G*| ở phạm vi tần số rất rộng để phục vụ việc xây dựng đường

cong chủ |G*| và góc pha của bitum chính xác phục vụ mục tiêu nghiên cứu. Do vậy,

thiết bị (DMA) được lựa chọn để xác định các giá trị |G*| và góc pha của các loại bitum.

Ở Việt Nam hiện nay không có thiết bị này, do vậy việc thực hiện các thí nghiệm xác

định |G*| và góc pha (δb) của vật liệu bitum được tiến hành tại phòng thí nghiệm kết cấu

hạ tầng giao thông của Pháp (IFSTTAR). Một số thông tin tổng quan về thiết bị (DMA)

được minh họa như Hình 1.5 của chương 1. Khi dùng thiết bị (DMA) để xác định |G*|

của bitum sẽ có hai mô hình tác dụng lực khác nhau tùy theo phạm vi mức nhiệt độ cần

thí nghiệm, trong đó:

 Với mô hình kéo-nén (K/N), được áp dụng cho phạm vi mức nhiệt độ ≤ 20oC.

Phương trình xác định |G*| như các phương trình phương trình 1.4 và phương

trình 1.5.

 Với mô hình cắt góc (C/G), áp dụng cho phạm vi mức nhiệt độ ≥20oC. Giá trị của

|G*| được xác định theo phương trình 1.6.

2.3.2 Xác định các thông số thí nghiệm

Do ứng xử của bitum phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, thời gian tác dụng của tải trọng

và độ lớn của tải trọng tác dụng. Do đó, Trong thí nghiệm xác định |G*|, có các thông

số liên quan cần phải xác định, đó là:

 Nhiệt độ thí nghiệm: Giá trị của nhiệt độ thí nghiệm phải phù hợp với nhiệt độ

của mặt đường của khu vực địa lý mà dự kiến sẽ sử dụng loại bitum đó trong xây

dựng đường [72].

 Tần số tác dụng của tải trọng: Là tần số tương ứng với tốc độ xe chạy điển hình

của đoạn đường sẽ được khai thác trong thực tế sử dụng.

 Độ lớn của tải trọng tác dụng (kiểm soát biến dạng trong quá trình thí nghiệm).

2.3.2.1 Nhiệt độ thí nghiệm:

Theo tiêu chuẩn thiết kế mặt đường 22TCN 211-06 [9] thì có 3 mức nhiệt độ sẽ được áp

dụng để kiểm toán kết cấu mặt đường (10oC -15oC sử dụng để kiểm tra điều kiện chịu

kéo khi uốn, 30oC áp dụng để kiểm tra độ võng đàn hồi và 60oC áp dụng để kiểm tra

điều kiện cân bằng trượt của BTN hay các loại hỗn hợp đá nhựa nằm ở lớp mặt.

Theo tiêu chuẩn AASHTO T315-12 [72] cũng như một số tài liệu của Hoa Kỳ, nhiệt độ

sử dụng để xác định |G*| là nhiệt độ của mặt đường của khu vực địa lý loại bitum sẽ

được sử dụng, như vậy sẽ có các mức nhiệt độ cao, nhiệt độ trung gian và nhiệt độ thấp

trong quá trình khai thác. Nhiệt độ trung gian là giá trị trung bình của nhiệt độ cao nhất

và nhiệt độ thấp nhất của mặt đường trong quá trình khai thác [56]. Phương pháp (ME)

sử dụng dải nhiệt độ (từ thấp nhất -10oC, cao nhất là 54o.4C),

Căn cứ vào khả năng thí nghiệm của thiết bị (DMA), đề xuất các mức nhiệt độ trong thí

nghiệm |G*| của các loại bitum như sau:

 Bitum thường (60/70): -9.9oC, 0oC, 10oC, 15oC, 20oC, 25oC, 30oC, 40oC, và 50oC.

 Bitum thường (40/50): -9.9oC, 0oC, 10oC, 20oC, 25oC, 30oC, 40oC, 50oC, và 60oC.

 Bitum thường (35/50): -9.9oC, 0oC, 10oC, 20oC, 25oC, 30oC, 40oC, 50oC, và 60oC.

 Bitum PMBIII: -19.9oC, -9.9oC, 0oC, 10oC, 19.9oC, 20oC, 25oC, 30oC, 40oC, 50C,

60oC, 70oC, và 80oC.

Bitum PMBIII sử dụng giá trị nhiệt độ thấp nhất là -19.9oC để tham khảo và vấn đề này

không ảnh hưởng tới độ chính xác của việc xây dựng các đường cong chủ của |G*| và

góc pha của bitum PMBIII. Khi cần xác định các giá trị |G*| hay góc pha ở các nhiệt độ

khác, sẽ xây dựng đường cong chủ theo mô hình 2S2P1D để xác định.

2.3.2.2 Tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm

Tần số tác dụng của tải trọng cùng với nhiệt độ là các yếu tố rất quan trọng quyết định

ứng xử của mặt đường BTN. Tuy nhiên, việc xác định chính xác tần số tác dụng của tải

trọng rất phức tạp, vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như (kiểu bố trí tải trọng trục,

tốc độ của phương tiện giao thông, mô đun động của lớp (các lớp BTN), mô đun đàn

hồi hữu hiệu của các lớp móng và lớp nền thượng … [49].

Để phục vụ cho việc xây dựng đường cong chủ trong phạm vi nghiên cứu của luận án,

việc lựa chọn các tần số trong thí nghiệm cần đảm bảo phù hợp với thiết bị (DMA) và ở

mức các tần số đã chọn sẽ cho kết quả thí nghiệm với độ chính xác cao nhất và phạm vi

tần số đã chọn phải bao trùm phạm vi tần số sử dụng thí nghiệm mô đun động trong

nghiên cứu ở Chương 3. Căn cứ vào các tiêu chí này và tham khảo kinh nghiệm của cán

bộ quản lý phòng thí nghiệm kết cấu hạ tầng giao thông của Pháp (), đề xuất dải tần số

đề xuất sử dụng dải tần số sau sử dụng trong nghiên cứu như sau:

Tần số thí nghiệm: 1 Hz, 2.23607 Hz, 5 Hz, 1.1803 Hz, 25 Hz, 55.9017 Hz và 80 Hz.

Do tần số của thí nghiệm |E*| không trùng với tần số thí nghiệm |G*|, do vậy để xác định

các giá trị |G*|, góc pha, ở các tần số khác, sẽ áp dụng phương pháp xây dựng đường

cong chủ theo mô hình 2S2P1D để xác định |G*|, góc pha ứng tại các tần số cần thiết.

theo phương trình 1.13 với mỗi giá trị tần số trong thí nghiệm |E*| (f), sẽ xác định được

giá trị tần số trong thí nghiệm |G*| tương ứng. Ví dụ với tần số thí nghiệm |E*| là

0.1Hz, 0.5 Hz, 1 Hz, 5 Hz, 10 Hz và 25 Hz thì các tần số trong thí nghiệm |G*| sẽ lần

lượt là (0.01592 Hz, 0.0796 Hz, 0.1592 Hz, 0.7958 Hz, 1.592 Hz và 3.9789 Hz).

Như vậy với các loại bitum thường (60/70; 40/50 và 35/50) mỗi loại sẽ có 9(nhiệt độ) x

7(tần số) =63 kết quả của |G*| và 63 kết quả của góc pha khác nhau. Với bitum cải tiến

polymer PMBIII sẽ có 13(nhiệt độ) x 7(tần số) =91 giá trị |G*| và 91 giá trị góc pha (δb)

tương ứng với các mức nhiệt độ và tần số các nhau. Các kết quả thực nghiệm này sẽ

được sử dụng để mô hình hóa các loại bitum theo mô hình 2S2P1D được đề cập trong

mục 2.4.

2.3.2.3 Kiểm soát biến dạng trong thí nghiệm.

Tương tự như tiêu chuẩn AASHTO T315-12, thí nghiệm xác định |G*| của vật liệu bitum

bằng thiết bị MetraviB tại (IFSTTAR) cần được kiểm soát biến dạng của mẫu để đảm

bảo vật liệu ứng xử tuyến tính. Để làm được điều này, cần tác dụng tải trọng sao cho tạo

ra chuyển vị của mẫu trong miền biến dạng nhỏ. Phương trình biến dạng có dạng hình

sin d=do.sin(𝜔𝑡), và phương trình lực tác dụng vào mẫu đo được cũng có dạng hình

sin nhưng lệch một góc pha (δb) so với phương trình biến dạng, phương trình 2.3.

(2.3)

2.4. Xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb) của các loại bitum

Đường cong chủ của mô đun động |G*| hay góc pha (δb) của bitum là đường cong trơn

được hình thành do hợp nhất các giá trị |G*| hay góc pha tại nhiệt độ tham chiếu bằng

cách dịch chuyển các giá trị |G*| hay góc pha (δb) ở các nhiệt độ khác dọc theo trục

logarit của tần số.

2.4.1 Xác định mô hình để xây dựng các đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb)

của các loại bitum

Có rất nhiều mô hình được sử dụng để xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha

(δb) của bitum trong đó có thể phân loại thành hai nhóm chính gồm nhóm các mô hình

toán học và nhóm các mô hình cơ học.

2.4.1.1 Nhóm các mô hình toán học Các mô hình toán học có đặc điểm chung là hoặc dạng toán học phức tạp, dẫn tới việc

áp dụng trong tính toán thực tiễn khó, hoặc việc dự báo chỉ chính xác ở phạm vi tần số

hay nhiệt độ vừa phải, hoặc chưa dự báo tốt giá trị G*/góc pha hoặc cả hai. Các mô hình

dự báo mới cho |G*| và độ nhớt (η) của Javed Bari and Matthew W. Witczak (2007)

[38] có khả năng dự báo tốt với bitum thường nhưng chưa dự báo tốt với bitum cải tiến

polymer… một số mô hình toán học khác cho thấy có khả năng mô phỏng tốt ứng xử

của bitum so với kết quả thực nghiệm, tuy nhiên, việc xác định các thông số của mô

hình còn chưa được các tác giả đề cập cụ thể, dẫn tới khó hiểu cho người đọc và khó áp

dụng trong thực tiễn. Các mô hình hình sin có khả năng mô phỏng tốt ứng xử của |G*|

nhưng lại không có phương trình để xác định góc pha (δb), trong khi với vật liệu bitum

việc xác định góc pha (δb) cũng là rất cần thiết vì nó phản ánh tính đàn nhớt của vật liệu

bitum [52].

2.4.1.2 Nhóm các mô hình cơ học

Tương tự như mô hình toán học, có nhiều mô hình cơ học có thể mô phỏng ứng xử lưu

biến của vật liệu bitum dưới tác dụng của tải trọng. Các mô hình cơ học được sử dụng

để mô phỏng ứng xử lưu biến của vật liệu bitum được thể hiện từ Hình 2.1 tới Hình 2.8

[47]. Trong đó hai mô hình cơ bản và đơn giản nhất là mô hình Maxwell (Hình 2.1) và

Hình 2.1: Mô hình Maxwell [47]

Hình 2.2: Mô hình Voigt-Kelvin [47]

Hình 2.3: Mô hình Maxwell tổng quát [47]

Hình 2.4: Mô hình Voigt-Kelvin tổng quát [47]

Hình 2.5: Mô hình Huet [47]

Hình 2.6: Mô hình Huet-Sayegh [47]

mô hình Voigt-kelvin (Hình 2.2).

Hình 2.7: Mô hình 2S2P1D [47]

Hình 2.8: Mô hình Burgers [47]

Cả mô hình Maxwell và mô hình kelvin đều không mô phỏng tốt ứng xử của bitum dưới

tác dụng của tải trọng do số phần tử trong mô hình còn ít. Mô hình Burgers (Hình 2.8)

là sự kết hợp của mô hình Maxwell và mô hình kelvin nên mô phỏng ứng xử của bitum

tốt hơn mô hình Maxwell và mô hình kelvin, tuy nhiên, mô hình này cũng chỉ có khả

năng mô phỏng ứng xử của vật liệu bitum trong phạm vi tần số hẹp [47].

Điều này được minh họa rõ hơn bằng việc so sánh ứng xử của các mô hình (Maxwell,

Kelvin và Burgers), các hình từ Hình 2.9 – Hình 2.11 so với ứng xử của bitum theo thực

Hình 2.9: Ứng xử biến dạng của mô hình Maxwell [47]

Hình 2.10: Ứng xử biến dạng của mô hình Kelvin [47]

nghiệm (Hình 1.1).

Các hình từ Hình 2.9 – Hình 2.10 minh họa

rõ hơn về kết luận mô hình Maxwell và mô

hình Kelvin không phù hợp cho việc mô

phỏng tính lưu biến của vật liệu bitum.

Hình 2.11: ứng xử của mô hình Burger [50]

Mô hình Burgers (Hình 2.8) do có sự kết hợp giữa mô hình Maxwell và mô hình Kelvin

nên mô hình Burgers mô phỏng tính lưu biến của bitum dưới tác dụng của tải trọng tốt

hơn so với mô hình Maxwell và mô hình Kelvin (Hình 2.11). Từ hình 2.11 so với hình

1.1 cho thấy ứng xử của mô hình Burgers vẫn chưa thật sự phù hợp. Đây cũng là lý do

các nghiên cứu đánh giá rằng mô hình Burger chỉ phù hợp với phạm vi tần số tác dụng

của tải trọng hẹp.

Mô hình Maxwell tổng quát (Hình 2.3) hay Mô hình Voigt-Kelvin tổng quát (Hình 2.4)

được đánh giá là có khả năng mô phỏng tốt ứng xử lưu biến của vật liệu bitum nhưng

số lượng các thông số cần xác định trong mô hình nhiều (tối thiểu 15 tới 20 thông số cần

xác định), do vậy việc giải các mô hình này phức tạp, thời gian tính toán lâu hơn và yêu

cầu về cấu hình máy tính cũng cao hơn. Với mục đích giảm bớt các thông số cần xác

định trong mô hình để thuận tiện cho việc tính toán, các nhà nghiên cứu đã thêm vào

các phần tử Parabolic dashpots (các phần tử đàn nhớt) tạo ra các mô hình gồm có mô

hình Huet (Hình 2.5), mô hình Huet-Sayegh (Hình 2.6) và mô hình 2S2P1D (Hình 2.7)

[47]. Giá trị của mô đun cắt phức (G*) của bitum trong các mô hình này được xác định

như sau:

 Mô hình Huet

Mô hình Huet (Hình 2.5) do thiếu phần tử nhớt và giá trị mô đun tĩnh G0 nên không mô

phỏng tốt ứng xử của vật liệu đàn nhớt như vật liệu bitum. Theo mô hình này, giá trị của

mô đun cắt phức (G*) được xác định theo phương trình 2.4 [47], [52].

(2.4)

Trong đó:

G*- mô đun phức của bitum, G - giới hạn của mô đun phức (Giá trị lớn nhất của mô

đun phức), k và h là các số mũ với 0

i-số phức (i2 =-1), ω – tần số góc (ω=2πf) và  là đặc tính thời gian, là hàm của nhiệt độ.

 Mô hình Huet-Sayegh

Mô hình Huet-Sayegh (Hình 2.6) là mô hình cải tiến của mô hình Huet. Trong mô hình

này, giá trị mô đun tĩnh G0 được bổ sung vào hình Huet-Sayegh được đánh giá là mô

phỏng tốt ứng xử của vật liệu đàn nhớt rắn như BTN, tuy nhiên, do thiếu phần tử nhớt

nên mô phỏng ứng xử vật liệu bitum ở nhiệt độ cao hay tần số thấp chưa tốt [47], [52].

Giá trị mô đun cắt phức của bitum (G*) trong mô hình Huet-sayegh được xác định theo

phương trình 2.5.

(2.5)

Trong công thức trên, các giá trị G*, G, k,h, ω và  có ý nghĩa như phương trình 2.4.

G0 – là mô đun tĩnh của bitum ứng với tần số góc ω→0.

 Mô hình 2S2P1D

Để cải thiện ứng xử của vật liệu bitum ở nhiệt độ cao hoặc ở tần số thấp, các nhà nghiên

cứu đã thêm vào mô hình Huet-Sayegh một phần tử nhớt (Dashpot element) tạo thành

mô hình 2S2P1D (Hình 2.7). Mô hình này được đánh giá là mô phỏng rất tốt ứng xử của

vật liệu bitum và BTN với khoảng thay đổi nhiệt độ và tần số khá rộng, trong khi các

thông số của mô hình ít hơn nhiều so với các mô hình cơ học tổng quát đã nêu ở trên

(mô hình Maxwell tổng quát, mô hình Voigt-Kelvin tổng quát...) [47], [52].

Theo mô hình 2S2P1D, giá trị của mô đun phức cắt phức (G*) được xác định theo

phương trình 2.6.

(2.6)

Trong đó:

i-số phức với i2=-1, ω- tần số (Hz hoặc Rad/s).

k, h, là các số mũ với 0

phương trình 2.7.

(2.7)

η- độ nhớt new tơn và τ là đặc tính thời gian, là hàm của nhiệt độ, giá trị của τ có thể lấy

gần đúng theo phương trình 2.8.

(2.8) τ =aT(T). τ0

τ0 – đặc tính thời gian tại tại nhiệt độ tham chiếu, là hàm của nhiệt độ.

với aT –hệ số dịch chuyển theo nhiệt độ, xác định theo phương trình 1.8.

Go – mô đun cắt của bitum ứng với tần số tác dụng của tải trọng rất thấp (ω →0) và Gg-

là giá trị mô đun cắt của bitum ứng với trạng thái tần số tác dụng của tải trọng rất cao

(ω →∞).

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

Trên cơ sở các phân tích đánh giá ở trên cho thấy cả mô hình toán học và mô hình cơ

học đều có khả năng mô phỏng ứng xử lưu biến của vật liệu bitum và đều có thể sử dụng

để xây dựng các đường cong chủ của mô đun phức |G*| và góc pha (δb) cho các loại

bitum khác nhau. Tuy nhiên việc áp dụng các mô hình toán học phức tạp, một số mô

hình không mô phỏng tốt ứng xử của bitum cải tiến polymer, một số mô hình tác giả

không nói rõ cách xác định cụ thể cho các thông số trong mô hình ….

Trong số các mô hình cơ học, mô hình 2S2P1D mô phỏng rất tốt ứng xử đàn nhớt của

bitum. So với mô hình Huet, Huet-Saygh thì mô hình 2S2P1D được đánh giá là có khả

năng mô phỏng so với kết quả thực nghiệm tốt nhất và so với các mô hình cơ học tổng

quát (mô hình Maxwell tổng quát, mô hình Voigt-Kelvin tổng quát) thì số phần tử cần

phải xác định trong mô hình 2S2P1D ít hơn nhiều so với các mô hình cơ học tổng quát

mà có độ chính xác cao [43], [47], [52]. Do vậy luận án đã sử dụng mô hình 2S2P1D để

xây dựng các đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb) của các loại bitum ở Việt Nam.

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

Nguyên lý và phương pháp xây dựng đường cong chủ của bitum đã được trình bày ở

mục 1.3.5 của chương 1. Để xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha cho các loại

bitum (60/70; 40/50; 35/50; PMBIII) theo mô hình 2S2P1D, trước hết cần xác định các

thông số của mô hình này cho các loại bitum theo các kết quả nghiên cứu thực nghiệm.

2.4.2.1 Xác định các thông số của mô hình 2S2P1D

Để xác định các thông số của mô hình 2S2P1D, chọn nhiệt độ tham chiếu là 30oC, xác

định các hệ số dịch chuyển theo nhiệt độ theo phương trình 1.7 và phương trình 1.8.

Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm thực hiện tại phòng thí nghiệm vật liệu kết cấu hạ

tầng giao thông thuộc Viện Giao thông của Pháp (IFSTTAR) gồm 189 giá trị của mô

đun cắt động(|G*|) và 189 giá trị của góc pha của ba loại bitum (60/70; 40/50 và 35/50,

mỗi loại bitum có 63 giá trị |G*| và 63 giá trị góc pha, ba loại bitum sẽ có 189 giá trị) và

91 dữ liệu mô đun cắt động(|G*|) và 91 dữ liệu góc pha của bitum PMBIII áp dụng

phương pháp bình phương tối thiểu để xác định được các thông số của mô hình 2S2P1D.

Để phục vụ mục đích xây dựng phương trình tương quan thực nghiệm |E*| -|G*|, sẽ xác

định các thông số của đường cong chủ cho các loại bitum ở các mức nhiệt độ là 0oC,

10oC, 30oC, 40oC và 50oC (bitum 60/70) và 60oC cho các loại bitum còn lại. Phạm vi

này đã phủ gần như toàn bộ các mức nhiệt độ ở các vùng miền ở Việt Nam hiện nay.

Các giá trị |G*|, góc pha ở các mức nhiệt độ khác nếu cần xác định sẽ được xác định

theo mô hình 2S2P1D.

Bảng 2.2 là các thông số của mô hình 2S2P1D và các hằng số C1, C2 của các loại bitum

Bảng 2.2: Các hằng số C1, C2 và các thông số của mô hình 2S2P1D

δs

o

Bitum



Goo (Kpa)

Tef (oC) 0

Go (Kpa) 9.11E+05

19.02 111.73 2.00E-02

0.19 0.550 2.850 1.041E-02

250

16.86 117.01 2.00E-02

9.11E+05

0.19 0.550 2.850 3.070E-04

250

15.39 144.66 2.00E-02

9.11E+05

0.19 0.550 2.850 1.042E-06

250

35/50

14.65 155.78 2.00E-02

9.11E+05

0.19 0.550 2.850 1.054E-07

250

12.51 172.95 2.00E-02

9.11E+05

0.19 0.550 2.850 2.369E-09

250

18.46 114.8

0.00E+00

738100

0.25 0.590 2.800 6.485E-03

100

60/70

18.56 136.21 0.00E+00 7.38E+05

0.25 0.590 2.800 2.690E-04

100

14.45 143.75 0.00E+00 7.38E+05

0.25 0.590 2.800 1.243E-06

100

15.38 166.69 0.00E+00 7.38E+05

0.25 0.590 2.800 1.428E-07

100

11.70 156.52 0.00E+00 7.38E+05

0.25 0.590 2.800 2.136E-08

100

17.17 105.89 0.00E+00 9.60E+05 0.192 0.560 2.200 3.044E-03 150.0

40/50

17.61 133.09 0.00E+00 9.60E+05 0.192 0.560 2.200 1.625E-04 150.0

13.67 139.58 0.00E+00 9.60E+05 0.192 0.560 2.200 8.405E-07 150.0

11.87 142.47 0.00E+00 9.60E+05 0.192 0.560 2.200 1.025E-07 150.0

9.08

152.2

0.00E+00 9.60E+05 0.192 0.560 2.200 3.208E-09 150.0

19.09

121

3.00E-01 614090.00 0.265 0.700 5.700 3.293E-02 1500

PMBIII

17.75 131.89 3.00E-01 614090.00 0.265 0.700 5.700 1.013E-03 1500

14.29 142.76 3.00E-01 614090.00 0.265 0.700 5.700 4.757E-06 1500

13.07 150.12 3.00E-01 614090.00 0.265 0.700 5.700 5.519E-07 1500

11.99 175.87 3.00E-01 614090.00 0.265 0.700 5.700 2.004E-08 1500

được xác định ứng với các nhiệt độ tham chiếu khác nhau.

2.4.2.2 Đánh giá chất lượng của mô hình dự báo

Việc đánh giá chất lượng của dự báo của mô hình 2S2P1D được căn cứ theo phương

pháp thống kê qua các công thức từ 2.9 – 2.11 và tiêu chuẩn đánh giá cụ thể cho từng

trường hợp được trình bày trong bảng 2.3 [39], [43]. Trong đó, ý nghĩa của các thông số

trong các phương trình (2.9- 2.11) như sau:

Se - Sai số tiêu chuẩn của các giá trị dự báo; Sy - Độ lệch chuẩn của các kết quả thực

nghiệm, n là cỡ mẫu và k là số các biến độc lập trong mô hình.

Y – Giá trị thí nghiệm; Ȳ- Giá trị trung bình của các kết quả thí nghiệm và Y* – Các giá

trị dự báo theo mô hình.

R2 – Hệ số xác định.

Tiêu chuẩn

Se/Sy

Bảng 2.3: Tiêu chuẩn đánh mức độ dự báo của mô hình 2S2P1D [43] R2 ≥0.9

Rất tốt

≤0.35

(2.9)

Tốt

0.7 – 0.89

0.36 – 0.55

Khá

0.4 – 0.69

0.56- 0.75

(2.10)

Kém

0.2 – 0.39

0.76- 0.89

Rất kém

≤0.19

≥0.9

(2.11)

Tổng hợp kết quả đánh giá mức độ dự báo của mô hình 2S2P1D cho các loại bitum tại

Bảng 2.4: Đánh giá mức độ dự báo của mô hình 2S2P1D theo tiêu chuẩn thống kê

Bitum

Se/Sy

R2’

Se’/Sy’ Đánh giá

PMBIII

0.018

0.999

0.984

0.137

Rất tốt

60/70 40/50

0.05 0.014

0.999 0.999

0.994 0.991

0.09 0.113

Rất tốt Rất tốt

35/50 PMBIII

0.015 0.028

0.999 0.999

0.992 0.983

0.108 0.138

Rất tốt Rất tốt

60/70 40/50

0.027 0.0159

0.999 0.999

0.994 0.99

0.08 0.114

Rất tốt Rất tốt

35/50

0.03

0.999

0.991

0.104

Rất tốt

PMBIII 60/70

0.021 0.026

0.999 0.999

0.983 0.993

0.137 0.084

Rất tốt Rất tốt

40/50 35/50

0.0159 0.019

0.999 0.999

0.99 0.992

0.109 0.105

Rất tốt Rất tốt

PMBIII

Nhiệt độ tham chiếu 0oC 0oC 0oC 0oC 10oC 10oC 10oC 10oC 30oC 30oC 30oC 30oC 40oC

0.021

0.999

0.983

0.137

Rất tốt

các mức nhiệt độ khác nhau như bảng 2.4.

Bitum

Se/Sy

R2’

Se’/Sy’ Đánh giá

60/70

0.999

0.053

0.994

0.082

Rất tốt

40/50 35/50

0.999 0.999

0.013 0.033

0.99 0.992

0.108 0.104

Rất tốt Rất tốt

PMBIII

0.999

0.019

0.984

0.136

Rất tốt

40/50 35/50

Nhiệt độ tham chiếu 40oC 40oC 40oC 60oC 60oC 60oC

0.999 0.999

0.015 0.015

0.99 0.992

0.109 0.107

Rất tốt Rất tốt

Ghi chú: R2’ và Se’/Sy’ là các chỉ tiêu đánh giá dành cho góc lệch pha (δb).

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

Trên cơ sở các thông số của mô hình 2S2P1D đã xác định được ở mục 2.4.2.1, áp dụng

phương pháp và nguyên lý xây dựng các đường cong chủ đã đề cập trong mục 1.3.5 của

chương 1 sẽ xây dựng được các đường cong chủ của |G*| và góc pha cho các loại bitum

khác nhau theo mô hình 2S2P1D. Từ các đường cong chủ này sẽ xác định được các giá

trị |G*| và góc pha của các loại bitum ở tần số bất kỳ. Cũng theo phương pháp này, có

thể xác định được các giá trị |G*| và góc pha của các loại bitum ở bất kỳ nhiệt độ và tần

số nào phục vụ cho việc dự báo mô đun động của BTN trong chương 3.

Các hình 2.12 và hình 2.13 minh họa việc xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc

pha cho bitum 60/70 theo thực nghiệm và mô hình 2S2P1D với nhiệt độ tham chiếu là

1.00E+06

1.00E+05

-9.9oC

1.00E+04

1.00E+03

15.0oC

1.00E+02

1.00E+01

30.0oC

30oC.

) a p K

Đường cong chủ thực nghiệm

1.00E+00

( | * G

|

1.00E-01

50.0oC

1.00E-02

0.0oC

1.00E-03

Đường cong chủ theo mô hình 2S2P1D

1.00E-04

1.00E-09

1.00E-04

1.00E+01

1.00E+11

1.00E+06 Tần số tương đương (Hz)

Hình 2.12: Đường cong chủ của mô đun cắt động |G*| của bitum 60/70, Tref=30oC

-9.9oC

15.0oC

Đường cong chủ theo mô hình 2S2P1D

Đường cong Đường cong chủ thực nghiệm chủ thực nghiệm

30.0oC

50.0oC

) o ( a h p c ó G

0.0oC

0 1.00E-09

1.00E-04

1.00E+01

1.00E+06

1.00E+11

Tần số tương đương (Hz)

Hình 2.13: Đường cong chủ của góc pha của bitum 60/70, Tref =30oC

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

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu thực nghiệm, các thông số của mô hình 2S2P1D đã xác

định được ở trên, xây dựng được các biểu đồ đường cong chủ của |G*| (Hình 2.14), góc

pha (δb) (Hình 2.15), các biểu đồ black diagraph (Hình 2.16), biểu đồ cole-cole diagram

(Hình 2.17) của các loại bitum.

) a p K ( * G

1.0E+06 1.0E+05 1.0E+04 1.0E+03 1.0E+02 1.0E+01 1.0E+00 1.0E-01 1.0E-02 1.0E-03 1.0E-04

1E-15

1E-11 0.0000001 0.001

1E+09

1E+13

1E+17

100000

10 Tần số tương đương, (Hz)

Bitum40/50_TN Bitum60/70_2S2P1D

Bitum35/50_TN Bitum40/50_2S2P1D Bitum PMBIII_TN

Bitum35/50_2S2P1D Bitum60/70_TN PMBIII_2S2P1D

Hình 2.14: Biểu đồ đường cong chủ của |G*|, Tref =30oC

90.00

80.00

70.00

60.00

50.00

40.00

30.00

) o ( a h P c ó G

20.00

10.00

0.00

1E-15

1E-11 0.0000001 0.001

100000

1E+09

1E+13

1E+17

Tần số tương đương, (Hz)

Bitum40/50_TN Bitum60/70_2S2P1D

Bitum35/50_TN Bitum40/50_2S2P1D Bitum PMBIII_TN

Bitum35/50_2S2P1D Bitum60/70_TN Bitum PMBIII_2S2P1D

Hình 2.15: Biểu đồ đường cong chủ của góc pha (δ), Tref =30oC

100.00

90.00

80.00

70.00

60.00

50.00

40.00

) o ( a h p c ó G

30.00

20.00

10.00

0.00

0.0001

0.0100

1.0000

100.0000

10000.0000

1000000.0000

Bitum40/50_TN Bitum60/70_2S2P1D

Bitum35/50_TN Bitum40/50_2S2P1D Bitum PMBIII_TN

|G*|,(Kpa) Bitum35/50_2S2P1D Bitum60/70_TN Bitum PMBIII_2S2P1D

Hình 2.16: Biểu đồ góc pha (δb) – Mô đun cắt động(|G*|), Tref =30oC

Nhận xét:

Qua các biểu đồ từ Hình 2.14 – Hình 2.15 có các nhận xét sau:

− Ở phạm vi tần số cao (khoảng ≥ 10Hz), không có sự khác nhau nhiều về giá trị

|G*| cũng như góc pha của các loại bitum) và trong phạm vi này, khi tần số tăng

lên thì |G*| tăng, góc pha giảm và ngược lại.

− 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. Kết quả này phù hợp với kết quả nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến

tính lưu biến của bitum cải tiến polymer (Factors affecting the rheology of

polymer bitumen) [79] và cũng phù hợp với thực tế rằng mặt đường BTN sử dụng

bitum PMBIII có độ bền kháng mỏi và khả năng kháng hằn lún tốt hơn so với

việc sử dụng các loại bitum thường.

− Hình 2.16 là biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa |G*| - góc pha của các loại bitum.

Các loại bitum thường (60/70; 40/50; 35/50) có xu hướng chung là giá trị |G *|

tăng thì góc pha giảm và ngược lại, còn với bitum PMBIII, quy luật này chỉ đúng

trong phạm vi nhất định (phạm vị |G*| >1000Kpa), điều này cho thấy sự thống

nhất về ứng xử của các loại bitum khác nhau trong biểu đồ của hình 2.16 với các

hình (2.14 -2.15).

2.4.3 Đánh giá mác bitum theo tiêu chuẩn AASHTO M320

Trên cơ sở đường cong chủ xây dựng từ mô hình 2S2P1D, dự báo G* và góc pha ở các

nhiệt độ 64oC; 70oC với các loại bitum thường và ở các mức nhiệt độ 70oC; 76oC và

82oC với bitum PMBIII ứng với tần số góc là 10rad/s. Tổng hợp kết quả dự báo các giá

Bảng 2.5: Giá trị G*/sinδ của các loại bitum ở các nhiệt độ khác nhau

Nhiệt độ

Ghi chú

G*/sinδb

nguyên gốc

Loại bitum 60/70 60/70

64oC 70oC

G* (Kpa) 1.492 0.631

Góc pha (o) 87.644 88.333

1.494 Kết quả được đánh giá với bitum 0.631

trị G*/sinδb như bảng 2.5.

Nhiệt độ

Ghi chú

G*/sinδb

Kết quả được đánh giá với bitum nguyên gốc

Loại bitum 40/50 40/50 35/50 35/50 PMBIII PMBIII PMBIII

G* (Kpa) 2.432 1.058 2.656 1.064 3.518 2.0019 1.206

Góc pha (o) 87.958 88.575 87.552 88.365 61.14 58.40 53.81

64oC 70oC 64oC 70oC 70oC 76oC 82oC

2.433 1.059 2.658 1.065 4.017 2.350 1.494

Qua bảng 2.5 cho thấy bitum 60/70 của Việt Nam đạt cấp PG64, bitum 40/50 của Việt

Nam và bitum 35/50 của Pháp đạt cấp PG70, và bitum PMBIII của Việt Nam đạt cấp

PG82 theo phương pháp phân loại bitum của tiêu chuẩn AASHTO M320.

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.

Để xác định các thông số của loại bitum sử dụng phục vụ cho việc dự báo mô đun động

của BTN trong điều kiện Việt Nam, xét một số mô hình dự báo mô đun động của BTN

đã được nghiên cứu ở Hoa Kỳ.

2.5.1 Các mô hình dự báo mô đun động của BTN của Hoa Kỳ

Thông qua quá trình nghiên cứu thực nghiệm, Hoa Kỳ đã xây dựng được các mô hình

dự báo mô đun động của BTN theo tính chất của vật liệu bitum cùng với với các thông

số đầu vào khác nhau. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, xét ba mô hình dự báo

|E*| điển hình có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Đó là mô hình Witczak ban đầu, mô

hình Witczak cải tiến và mô hình Hirsch [31], [32], [40], [65], [83].

Mô hình Witczak truyền thống (Traditional Witczak E* predictive model)

2.5.1.1

Trong mô hình Witczak ban đầu, phương trình dự báo |E*| theo loại bitum sử dụng và

các thông số khác (thành phần cấp phối thiết kế, đặc trưng thể tích, ...). Phương trình dự

(2.12)

báo |E*| (phương trình 2.12), [31], [32], [40], [65], [83].

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, sàng số 3/8 in (9.56mm)

và sàng số ¾ in (19mm).

Va – Độ rỗng dư của hỗn hợp BTN (%).

Vbeff – Thể tích có hiệu của bitum (%).

f – Tần số tác dụng của tải trọng, (Hz).

η – Độ nhớt của bitum tại nhiệt độ tính toán (106 Poise/105 Pas). Giá trị của độ nhớt

của bitum được xác định theo phương trình tương quan thực nghiệm (phương trình 2.13)

theo quy tắc thực nghiệm Cox-Merz (Cox-Merz empirical rule) [52], [72].

(2.13)

Với:

ω - Tần số góc trong thí nghiệm mô đun cắt động của bitum, (Rad/s).

|G*| - Mô đun cắt động của bitum, (Pa)

2.5.1.2 Mô hình Witczak cải tiến

Mô hình Witczak cải tiến được xây dựng trên cơ sở dữ liệu của 346 hỗn hợp BTN với

7400 điểm dữ liệu, điểm quan trọng trong mô hình này là thông số độ nhớt và tần số

đã được thay bằng giá trị mô đun cắt động(|G|)* và góc pha (δb). Giá trị mô đun động

của BTN được xác định theo phương trình 2.14, [40], [65], [83].

(2.14)

Trong đó:

|G*| – Mô đun cắt động của bitum (Pound/in2) và δb – Góc pha của bitum xác định cùng

với |G*|, độ. Các thông số khác có ý nghĩa như đã nêu ở trên (mục 2.5.1.1)

2.5.1.3 Mô hình Hirsch (Hirsch Model)

Mô hình Hirsh được xây dựng trên cơ sở 206 dữ liệu thực nghiệm, theo mô hình này,

giá trị của mô đun động |E*| và góc pha δ của BTN là hàm của các thông số thể tích của

BTN và mô đun cắt động của loại bitum sử dụng (|G*|) thể hiện qua các phương trình

2.15 tới phương trình 2.17, [31],[40], [65], [83].

(2.15)

(2.16)

Trong đó:

|E*| – Mô đun động của BTN (psi)

Pc – Hệ số tiếp xúc cốt liệu.

δ – Góc pha của hỗn hợp BTN, (o), và |G*| - mô đun động của bitum, (psi).

VFA- độ rỗng lấp đầy nhựa, (%), và VMA- rỗng cốt liệu, (%). Độ

Trong các phương trình trên (2.12, 2.14 – 2.16). Các hệ số trong các mô hình Witczak

(phương trình 2.12, 2.14) là các hệ số thực nghiệm, với mô hình Hirsch chỉ có các hệ số

(20, 650, 0.58) trong phương trình 2.16 là các hệ số thực nghiệm. Các nghiên cứu thực

nghiệm trên thế giới cho thấy cần kiểm định và hiệu chỉnh lại các hệ số thực nghiệm này

theo điều kiện vật liệu địa phương mới đảm bảo độ chính xác của các mô hình dự báo

|E*|. Do vậy, ở Việt Nam cũng cần phải có nghiên cứu cụ thể để xác định lại các hệ số

trong các mô hình này nếu cần thiết. Vấn đề này sẽ được giải quyết trong chương 3 của

luận án.

2.5.2 Các thông số của bitum phục vụ việc dự báo mô đun động của BTN

Qua các phương trình dự báo mô đun động của BTN đã nêu trong mục 2.5.1 cho thấy

các thông số của bitum dùng để dự báo |E*| của BTN gồm có độ nhớt của bitum (dùng

cho mô hình Witczak truyền thống), giá trị mô đun cắt động(|G*|) và góc pha của bitum

dùng cho mô hình Witzczak cải tiến, giá trị (|G*|) của bitum sử dụng cho mô hình Hirsh.

Từ các thông số của mô hình 2S2P1D ở bảng 2.2 xác định được các giá trị |G*|, góc pha

của các loại bitum ở các nhiệt độ và tần số khác nhau sử dụng để dự báo |E*| theo các

mô hình Witczak và mô hình Hirsch. Tổng hợp các kết quả xác định |G*|, góc pha, và

độ nhớt của các loại bitum ở các nhiệt độ, tần số khác nhau được tổng hợp trong phụ lục

2 của luận án. Cũng lưu ý rằng giá trị độ nhớt của bitum được xác định theo quy tắc thực

nghiệm Cox-Merz như phương trình 2.13.

Bảng 2.6 trình bày một số giá trị điển hình của |G*|, góc pha và độ nhớt của bitum xác

Bảng 2.6: Giá trị của |G*|, góc pha(δb) và độ nhớt (η) của các loại bitum

ToC

fc(Hz)

Bitum

10 30 60 10 30 60 10 30 60 10 30 60

1.5920 1.5920 1.5920 1.5920 1.5920 1.5920 1.5920 1.5920 1.5920 1.5920 1.5920 1.5920

G*(Kpa) 1.562E+04 4.798E+02 2.901E+00 2.058E+04 6.792E+02 4.360E+00 2.739E+04 1.018E+03 5.034E+00 1.449E+04 5.402E+02 1.003E+01

η(Pa.s) 1.562E+06 4.797E+04 2.900E+02 2.058E+06 6.790E+04 4.359E+02 2.738E+06 1.018E+05 5.032E+02 1.448E+06 5.401E+04 1.003E+03

60/70 60/70 60/70 40/50 40/50 40/50 35/50 35/50 35/50 PMBIII PMBIII PMBIII

Chỉ tiêu δb(o) 47.2366 70.4311 86.9299 47.5974 70.8330 87.3760 41.7291 64.7235 86.7609 45.1185 60.7121 63.0221

theo mô hình 2S2P1D ở một số nhiệt độ điển hình ứng với tần số fc=1.592 Hz.

2.6. Kết luận chương 2

 Mô hình 2S2P1D có khả năng mô hình hóa rất tốt ứng xử của các loại biutm khác

nhau gồm cả bitum thường, bitum có độ quánh cao và bitum cải tiến PMBIII với các

thông số thống kê (R2> 0.999; Se/Sy≤0.026 với |G*| và R’2≥0.983; Se’/Sy’≤0.137

với góc pha). Bằng cách xây dựng các đường cong chủ |G*| và góc pha (δb) của các

loại bitum khác nhau theo mô hình 2S2P1D sẽ xác định được các giá trị |G*| và góc

pha (δb) của bitum ở nhiệt độ và tần số bất kỳ phục vụ cho việc phân loại bitum theo

AASHTO M 320 cũng như xác định các giá trị |G*| và góc pha (δb) để dự báo |E*|

theo các phương trình tương quan thực nghiệm có liên quan.

 Các loại bitum có quy luật chung là giá trị |G*| giảm khi nhiệt độ tăng hoặc tần số

giảm và ngược lại. Đồng thời loại bitum có độ quánh cao có giá trị |G*| lớn hơn giá

trị |G*| của bitum thường ở nhiệt độ cao khác nhiều. Với bitum cải tiến PMBIII thì

còn thể hiện rõ hơn nữa, giá trị |G*| ở 70oC lớn hơn giá trị |G*| của các loại bitum

thường khác nhiều (5.58 lần so với bitum 60/70; lớn hơn 3.3 lần với bitum 35/50 và

40/50), trong khi giá trị góc pha ở 70oC lại nhỏ hơn các loại bitum thường rất nhiều

(27.193o với bitum 60/70 và 26.818o với bitum 40/50 và 27.225o với bitum 35/50).

Điều này cho thấy sử dụng bitum PMBIII sẽ có khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe

và độ bền chống nứt mỏi hơn các loại bitum thường rất nhiều.

 Với các loại bitum thường (60/70; 40/50; 35/50). Giá trị của góc pha tăng khi tần số

giảm hoặc nhiệt độ tăng và ngược lại và giá trị góc pha sẽ tiệm cận 90o ở tần số rất

thấp. Với bitum PMBIII thì lúc đầu giá trị góc pha tăng lên khi tần số giảm, sau đó

giá trị góc pha lại có xu hướng giảm xuống mặc dù tần số tiếp tục giảm. Điều này

cho thấy các loại bitum thường có tính đàn hồi giảm (tính nhớt tăng) khi tần số giảm,

còn bitum cải tiến polymer thì có ứng xử ban đầu theo quy luật của các loại bitum

thường (tính đàn hồi giảm/tính nhớt tăng) khi tần số giảm, nhưng sau đó, mặt dù tần

số tác dụng của tải trọng giảm xuống nhưng tính đàn hồi của bitum lại tăng lên. Điều

này lý giải tại sao các loại BTN sử dụng bitum polymer có khả năng kháng hằn lún

vệt bánh xe và độ bền khai thác tốt hơn các loại bitum thường.

 Bitum 60/70 đạt cấp PG64, bitum PMBIII đạt cấp PG82, bitum 35/50 (cộng hòa

Pháp) và bitum 40/50) đạt cấp PG70 theo tiêu chuẩn AASHTO M320 của Hoa Kỳ.

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 1 đã nghiên cứu các mối quan hệ giữa tính chất của bitum (|G*|, góc pha, độ

nhớt) mô đun động của BTN theo một số phương trình tương quan thực nghiệm của Hoa

Kỳ theo mô hình Witczak ban đầu, Witczak cải tiến và mô hình Hirsch. Các dạng

phương trình tương quan thực nghiệm cụ thể theo các mô hình Witczak và mô hình

Hirsch đã đề cập trong chương 2.

Chương 3 của luận án sẽ nghiên cứu thực nghiệm về mô đun động của các loại BTNC

ở Việt Nam. Kết hợp với kết quả nghiên cứu thực nghiệm về mô đun cắt động (|G*|, góc

pha) của bitum ở chương 2 để xây dựng mối quan hệ tương quan thực nghiệm giữa (|G*|,

góc pha, độ nhớt) của bitum với mô đun động của BTNC ở Việt Nam theo các mô hình

Witczak và mô hình Hirsch.

Các mô hình dự báo |E*| trước và sau khi hiệu chỉnh các hệ số sẽ được đánh giá độ mạnh

của mô hình dự báo theo tiêu chuẩn thống kê để xác định mô hình nào có khả năng dự

báo |E*| tốt nhất sau khi đã hiệu chỉnh lại các hệ số.

Các nội dung chi tiết thực hiện trong chương 3 như trong sơ đồ khối như sau (Hình 3.1).

Hình 3.1: Nội dung nghiên cứu mối quan hệ thực nghiệm giữa |E*| -(|G*|,δb,η)

3.1. Lựa chọn vật liệu, cấp phối và thiết kế bê tông nhựa

Việc lựa chọn các vật liệu để thiết kế BTN sẽ bào gồm việc lựa chọn từng vật liệu thành

phần có trong thành của hỗn hợp bê tông nhựa (chất kết dính là bitum, loại cốt liệu (cốt

liệu thô, cốt liệu mịn, bột khoáng) và thành phần cấp phối và phương pháp thiết kế bê

tông nhựa.

3.1.1. Lựa chọn vật liệu bitum

3.1.1.1. Đề xuất các loại bitum sử dụng trong nghiên cứu

Các phân tích và phương pháp luận liên quan tới việc lựa chọn các loại bitum trong

nghiên cứu của luận án đã đề cập trong chương 2, trong đó 4 loại bitum được lựa chọn

để nghiên cứu gồm một loại bitum thông thường (60/70) và hai loại bitum có độ quánh

cao (35/50; 40/50) và bitum PMIII.

3.1.1.2. Xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bitum

Việc xác định các chỉ tiêu cơ lý của các loại bitum được thực hiện ở hai phòng thí

nghiệm. Trong đó, các chỉ tiêu thông thường được thực hiện tại phòng thí nghiệm kiểm

định trọng điểm trường Đại học GTVT (LAS XD 1256) và các chỉ tiêu mô đun cắt động

(|G*|) và góc pha của bitum (δb) được thực hiện tại phòng thí nghiệm vật liệu kết cấu hạ

tầng giao thông thuộc Viện giao thông của Pháp (IFSTTAR) thuộc thành phố Nantes,

cộng hòa Pháp. Chi tiết các kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của bitum trong phụ

lục 1, kết quả xác định các giá trị |G*|, góc pha, độ nhớt của bitum sử dụng để dự báo

|E*| đề cập trong phụ lục 2 của luận án.

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

3.1.2.1. Lựa chọn cốt liệu và bột khoáng

 Lựa chọn cốt liệu.

Loại cốt liệu là một trong những tiêu chí rất quan trong để đảm bảo chất lượng BTN, có

những loại cốt liệu (loại đá) có khả năng liên kết rất kém với bitum, dễ gây ra hư hỏng

mặt đường trong khai thác, các loại cốt liệu này thường có gốc đá là loại đá axit, ngược

lại các loại đá có gốc bazơ có khả năng liên kết đá nhựa đường tốt, do vậy vật liệu BTN

thường được sản xuất với các loại cốt liệu được làm từ đá có gốc bazơ sẽ có chất lượng

tốt hơn do tính liên kết vật liệu khoáng – bitum tốt hơn.

Ở Việt Nam, các loại đá sử dụng cho thiết kế hỗn hợp và thi công BTN chủ yếu là các

loại đá vôi, đá bazan và đá granit (phân bố cả 3 miền Bắc- Trung- Nam). Trong đó đá

vôi và đá bazan (phân bố nhiều ở Miền Bắc) và đá granit (phân bố chủ yếu ở Miền

Trung). Do vậy, các nguồn đá sử dụng trong nghiên cứu được lựa chọn là đá vôi ở mỏ

đá Phú Hà, Thanh Liêm- Hà Nam, đá bazan (Hataco, Quốc Oai Hà Nội) và đá granit

(Mỏ khe dầu, Tỉnh Hà Tĩnh).

 Lựa chọn bột khoáng

Bột khoáng có tác dụng tăng thêm độ đặc chắc cho BTN, làm tăng độ cứng của bitum

do đó tăng tính ổn định nhiệt của BTN. Trong số các loại đá sử dụng để sản xuất bột

khoáng thì đá vôi là loại đá có gốc bazơ do đó có khả năng liên kết với vật liệu bitum

tốt nhất. Do vậy, bột khoáng sử dụng trong nghiên cứu được lựa chọn là loại bột khoáng

được sản xuất từ gốc đá vôi, cụ thể là nguồn bột khoáng lấy ở mỏ Gọng Vối, xã Thanh

Sơn, huyện Kim Bảng, tỉnh Hà Nam.

3.1.2.2. Xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu

 Xác định các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu

Trong hỗn hợp BTN, cốt liệu chiếm khoảng 90%-95% theo tổng trọng lượng hỗn hợp

[21], do vậy, việc lựa chọn cốt liệu để sử dụng cho thiết kế và thi công BTN rất quan

trọng, cốt liệu đóng vai trò là khung chịu lực để chịu được tải trọng lặp của tải phương

tiện giao thông, đặc biệt là của các xe buýt lớn, xe tải nặng.

Các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu được xác định tại tại phòng thí nghiệm kiểm định trọng

điểm trường Đại học GTVT (LAS XD 1256). Kết quả thí nghiệm cho thấy các loại cốt

liệu sử dụng trong nghiên cứu đều thỏa mãn các quy định của TCVN 8819: 2011 [2].

Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu sử dụng cho BTN của từng loại đá khác nhau

Bảng 3.1: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý và độ dính bám của đá Bazan

Đá bazan (đá hataco Quốc Oai - Hà Nội )

Chỉ tiêu cơ lý

10x20

0x5

Cường độ đá gốc ( Mpa ) hàm lượng hạt thoi dẹt ( % ) Độ mài mòn Los Angeles (%) Hàm lượng bụi bùn sét (%)

8.85 10.35 0.438

5x10 145.67 10.11 12.36 0.619

- - 2.168

Yêu cầu ≥80 ≤15 ≤3

như các bảng sau (bảng 3.1 - bảng 3.3).

Đá bazan (đá hataco Quốc Oai - Hà Nội )

Chỉ tiêu cơ lý

10x20 0 - - -

5x10 0 - - -

0x5 - 0.13 73.09 48.275

Yêu cầu ≤15 ≤0.5 ≥50 ≥40

<15

0.697

0.803

Hạt mềm yếu phong hóa (%) Hàm lượng sét cục (%) chỉ số ES (%) độ góc cạnh cốt liệu mịn % Độ bền sunfat với dung dịch Na2SO4 sau 5 chu kỳ (%) Độ dính bám với nhựa đường

≥ Cấp 3

> cấp 3

Bảng 3.2: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý và độ dính bám của đá Granit

Đá granit (Mỏ khe dầu, Tỉnh Hà Tĩnh)

Chỉ tiêu cơ lý

10x20

0x5

11.64 20.38 0.481 0

5x10 129.43 11.82 21.21 0.628 0

- - 2.219 - 0.12 86.49 45.918

Yêu cầu ≥80 ≤15 ≤3 ≤15 ≤0.5 ≥50 ≥40

0.621

0.817

<15

Cường độ đá gốc ( Mpa ) hàm lượng hạt thoi dẹt ( % ) Độ mài mòn Los Angeles (%) Hàm lượng bụi bùn sét (%) Hạt mềm yếu phong hóa (%) Hàm lượng sét cục (%) chỉ số ES (%) độ góc cạnh cốt liệu mịn % Độ bền sunfat với dung dịch Na2SO4 sau 5 chu kỳ (%) Độ dính bám với nhựa đường

< Cấp 3

≥Cấp 3

Bảng 3.3: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý và độ dính bám của đá Vôi

Đá vôi (Mỏ Phú Hà, Thanh Liêm- Hà Nam)

Chỉ tiêu cơ lý

10x20

0x5

9.77 19.6 0.57 0.71 - - -

5x10 82.7 7.8 20.84 0.63 0.82 - - -

- - 1.41 - 0 92 48.39

Yêu cầu ≥80 ≤15 ≤3 ≤15 ≤0.5 ≥50 ≥40

2.46

1.96

<15

Cường độ đá gốc ( Mpa ) hàm lượng hạt thoi dẹt ( % ) Độ mài mòn Los Angeles (%) Hàm lượng bụi bùn sét (%) Hạt mềm yếu phong hóa (%) Hàm lượng sét cục (%) Chỉ số ES (%) Độ góc cạnh cốt liệu mịn % Độ bền sunfat với dung dịch Na2SO4 sau 5 chu kỳ (%) Độ dính bám với nhựa đường

> Cấp 3

≥Cấp 3

 Chỉ tiêu cơ lý của bột khoáng

Bột khoáng: bột khoáng có chức năng lấp đầy các lỗ rỗng, tăng độ đặc chắc và tính ổn

định nhiệt của BTN do đó, tăng giá trị mô đun phức động của BTN, tuy nhiên, lượng

bột khoáng sử dụng cần thiết kế hợp lý để tránh làm yếu hỗn hợp BTN. Bột khoáng phải

có nguồn gốc đá vôi, có cường độ đá gốc >20MPa, đá để sản xuất bột khoáng phải sạch,

bột khoáng không lẫn bụi bẩn, hàm lượng bụi bùn sét không quá 5%. Bột khoáng phải

tơi, khô và không bị vón cục theo tiêu chuẩn Việt Nam [2]. Kết quả thí nghiệm và các

Bảng 3.4: Các chỉ tiêu cơ lý của bột khoáng và cường độ đá gốc

STT

Ghi chú

Quy định

Thành phần hạt

Mô tả Cỡ sàng (mm) 0.6 0.3 0.15 0.075

Phần trăm lọt sàng(%) 100 97.74 93.52 82.24

2 Độ ẩm (%) 3 Chỉ số dẻo %

0.08 0 2.21

100 95÷100 70÷100 ≤ 1,0 ≤ 4,0 -

Bột khoáng lấy ở mỏ Gọng Vối, xã Thanh Sơn, huyện Kim Bảng, tỉnh Hà Nam.

55.11

>20

Độ trương nở (%) Cường độ của đá gốc (Mpa)

quy định về chỉ tiêu cơ lý của bột khoáng như bảng 3.4.

3.1.2.3. Lựa chọn cấp phối thiết kế hỗn hợp

Tùy thuộc vào mục đích sử dụng hay mục đích thiết kế mà sẽ có các loại BTN hay hỗn

hợp đá nhựa khác nhau và ứng với mỗi loại này sẽ có các yêu cầu về thành phần hạt hay

cấp phối khác nhau. Các loại BTN chặt đều có các cấp phối tốt gọi là “Well-graded”

hoặc cấp phối chặt “Densed graded”. Các quốc gia khác nhau sẽ có các tiêu chuẩn cho

các loại cấp phối chặt khác nhau, tuy nhiên, về nguyên lý chung thì không khác nhau là

mấy, đó là:

 Cấp phối có phạm vi phân bố các cỡ hạt rộng từ nhỏ tới lớn. Trong đó, các hạt

nhỏ sẽ lấp vào khoảng trống giữa các hạt lớn.

 Lượng các hạt cốt liệu nhiều, khả năng chèn các hạt cốt nhỏ vào khoảng trống

của các hạt cốt liệu lớn hơn cao, độ rỗng của kết cấu thấp và do đó khả năng thấm

của kết cấu thấp nên độ bền kết cấu cao.

 Yêu cầu về cấp phối thiết kế cho BTN chặt là đường cong trơn, không bị gãy

khúc

Như vậy, nếu so sánh với các loại cấp phối khác thì cấp phối chặt có ưu điểm cường độ,

độ ổn định cao, khả năng thấm nước nhỏ và kinh tế vì hàm lượng bitum thấp hơn so với

BTN/hỗn hợp đá nhựa sử dụng các loại cấp phối khác. Ngoài ra, cũng do cấp phối chặt

là cấp phối tốt, phân bố cỡ hạt liên tục, các hạt nhỏ chèn vào khoảng trống của các hạt

lớn, nên việc thi công cũng dễ hơn (lu lèn nhanh chặt hơn). Tùy theo cỡ hạt lớn nhất

danh định (Norminal maxiumum aggregate size, NMAS) mà có các loại BTN chặt khác

nhau. Theo tiêu chuẩn AASHTO M 323-13 [71], các loại các cấp phối chặt với NMAS

=4.75mm -19mm sẽ được sử dụng cho các lớp mặt, và các cấp phối có đường kính danh

định lớn nhất lớn hơn 19mm sẽ được sử dụng cho các lớp móng, tuy nhiên, với đường

kính danh định lớn nhất tối đa là 37.5mm. Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 8819-2011) [2]

có quy định cụ thể hơn trong đó:

 Cấp phối với NMAS =9.5mm được sử dụng cho lớp mặt trên

 Cấp phối với NMAS =12.5mm có thể sử dụng cho cả lớp mặt trên và lớp dưới,

tùy theo từng trường hợp cụ thể.

 Cấp phối với NMAS =19mm chỉ sử dụng cho BTNC lớp dưới.

 Cấp phối với NMAS =4.75mm (BTN cát) chỉ sử dụng cho vỉa hè, làn xe thô sơ.

Trong số các loại BTNC phân loại theo NMAS ở trên, thì:

 BTNC có NMAS=4.75mm ít được sử dụng ở Việt Nam nhất, vì phần lớn các vỉa

hè được thiết kế lát gạch, với các công trình khác, làn xe thô sơ cũng được thiết

kế cùng loại BTN với làn cơ giới để thuận tiện cho việc thi công và nâng cấp

công trình trong tương lai.

 BTNC với NMAS =9.5mm, thường sử dụng ở các công trình có lượng giao thông

không cao, ít xe tải nặng và thời tiết không quá nóng do cấp phối nhỏ, khả năng

chịu kháng lún vệt bánh kém hơn các loại BTN chặt khác

 BTNC với NMAS=12.5mm và 19mm được sử dụng nhiều nhất và phổ biến nhất

ở Việt Nam hiện nay, và được áp dụng cho hầu hết các quốc lộ và các đường cao

tốc. Lý do cho việc này là do đặc thù ở Việt Nam hiện nay, lượng giao thông trên

các quốc lộ rất lớn, nhiều xe tải nặng, thời tiết ở phần lớn các khu vực vào mùa

hè rất nóng. Do vậy nếu sử dụng các loại cấp phối với NMAS nhỏ sẽ có độ cứng

thấp dẫn tới hư hỏng dạng hằn lún vệt bánh xe lớn.

 Các loại BTNC với NMAS >19mm chưa được đề cập tới trong quy trình hiện

hành mà mới chỉ đề cập trong [7], mang tính hướng dẫn sử dụng cho các công

trình có lượng giao thông lớn, chưa phải là tiêu chuẩn Việt Nam.

Trên cơ sở các phân tích trên kiến nghị cấp phối sử dụng trong nghiên cứu là các loại

cấp phối có NMAS=12.5mm (BTNC lớp mặt) và NMAS=19mm (BTNC lớp dưới).

Dưới đây là các biểu đồ cấp phối của các loại BTNC với NMAS =12.5mm và

NMAS=19mm theo tiêu chuẩn (TCVN 8819-2011, quyết định số 858/QĐ –BGTVT

120.00

100.00

(2014), và các tiêu chuẩn ASTM D 3515, AASHTO M323-13) [2], [7], [69], [71].

)

%

80.00

(

60.00

40.00

g n à s t ọ l

20.00

0.00

0.075

0.75

7.5

m ă r t n ầ h P

Cỡ sàng (mm)

Fuller n=0.45 TCVN8819_Upper Limit ASTM D3315 Upper AASHTO M323-13

TCVN8819_Lower Limit ASTM D3515_Lower AASHTO M323-13 QD858_Lower

Hình 3.2: Cấp phối BTNC 19 theo [2], [7], [69], [71]

120

)

100

%

(

g n à s t ọ l

m ă r t n ầ h P

0.75

7.5

Cỡ sàng (mm)

0 0.075 AASHTO M323-13_Lower Limit Fuller n=0.45 TCVN8819_Upper ASTM D3515_Lower Limit QD858_Lower Limit

75 AASHTO M323-13_Upper Limit TCVN8819_Lower PCS ASTM D3515_Upper Limit QD858 Upper Limit

Hình 3.3: Cấp phối BTNC 12.5 theo [2], [7], [69], [71]

Nhận xét:

Từ các Hình 3.2 và Hình 3.3 ở trên có một số nhận xét như sau:

 Về cơ bản, đường bao/giới hạn về cấp phối theo tiêu chuấn Hoa Kỳ (ASTM D

3515, AASHTO M323-13) và tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 8818-201) không

khác nhau nhiều, và đường cấp phối tốt nhất gần như nằm sát đường cấp phối

trung bình của các tiêu chuẩn này ngoại trừ tại hai cỡ sàng nhỏ nhất (0.075mm)

và cỡ sàng sát cỡ hạt danh định lớn nhất (12.5mm với BTNC 19 và 9.5mm với

BTNC 12.5). Như vậy có thể thấy, các cấp phối theo tiêu chuẩn Việt Nam và các

tiêu chuẩn của Hoa Kỳ sẽ có độ đặc chắc cao, dễ thi công trong khi vẫn đảm bảo

các tiêu chí về độ rỗng dư (Va) và độ rỗng cốt liệu (VMA) nếu cấp phối thiết kế

được lựa chọn phù hợp [2], [69], [71].

 Đường bao cấp phối theo quyết định 858/QĐ-BGTVT [7] khá rộng và nếu cấp

phối đi gần cận dưới sẽ có BTNC rất thô, độ rỗng cốt liệu VMA sẽ rất lớn, và do

đó sẽ dẫn tới độ rỗng dư Va cao. Hơn nữa [7] không phải là tiêu chuẩn Việt Nam

mà chỉ là hướng dẫn thêm về việc lựa chọn các cấp phối thiết kế BTNC trên cơ sở

các tiêu chuẩn hiện hành nên [7] sẽ là tài liệu tốt để tham khảo thêm trong quá

trình lựa chọn cấp phối thiết kế.

Trên cơ sở các nhận xét trên, kiến nghị chọn tiêu chuẩn về cấp phối sử dụng trong nghiên

cứu theo TCVN 8818-2011 [2] cho hai loại BTNC19 và BTNC 12.5. Ứng với mỗi loại

BTNC sẽ chọn ba mức cấp phối khác nhau về độ thô cấp phối để thiết kế. Trong đó:

 BTNC 12.5 mức độ thô của cấp phối được đánh giá bằng lượng lọt sàng số 8

(2.36mm). Nếu lượng lọt sàng của cấp phối hỗn hợp nhỏ hơn 39% thì được xem

là BTNC 12.5 cấp phối thô và ngược lại là BTNC 12.5 cấp phối mịn [71].

 BTNC 19 mức độ thô của cấp phối được đánh giá bằng lượng lọt sàng số 4

(4.75mm). Nếu lượng lọt sàng của cấp phối hỗn hợp nhỏ hơn 47% thì được xem

là BTNC 19 cấp phối thô và ngược lại là BTNC 19 cấp phối mịn [71].

Bảng 3.5: Các cấp phối đề xuất trong nghiên cứu

Cỡ sàng

Dmax =19mm(%Passing)

Dmax=12.5mm(% Passing)

(mm)

JMF1

JMF2

JMF3

JMF1

JMF2

JMF3

100

(Inch)/ (In-sơ) 1

100.00

94.5

3/4

12.5

94.00

91.00

97.00

1/2

9.5

80.00

75.00

85.00

3/8

4.75

55.00

50.00

60.00

No.4

2.36

37.00

32.00

42.00

No.8

1.18

25.00

22.00

32.00

No.16

0.6

19.00

15.00

25.00

No.30

0.3

15.00

12.00

18.00

No.50

0.15

11.00

8.00

14.00

No.100

0.075

4.5

7.5

7.50

6.50

8.50

No.200

Kết quả sử dụng các cấp phối trong nghiên cứu như bảng 3.5

)

75.075

(

)

75.075

(

50.075

g n à s t ọ l

50.075

g n à s t ọ l

25.075

m ă r t n ầ h P

0.075

0.75

0.075

7.5

0.075

0.75

JMF1

JMF2

Cỡ sàng (mm)

JMF3

TCVN8819_Max

TCVN8819:2011_Min

Fuller n=0.45

JMF1 JMF3 TCVN8819:2011_Max

7.5 JMF2 TCVN8819:2011_Min Fuller n=0.45

Hình 3.4: Các cấp phối BTNC19

Hình 3.5: Các cấp phối BTNC12.5

3.1.3. Thiết kế bê tông nhựa

Hiện nay có ba phương pháp thiết kế BTN đang được áp dụng trên thế giới gồm có:

 Thiết kế bê tông nhựa theo phương pháp Hveem.

 Thiết kế bê tông nhựa theo phương pháp Marshall và

 Thiết kế BTN theo phương pháp Supperpave.

Trong ba phương pháp trên, phương pháp Hveem chưa từng được áp dụng ở Việt Nam,

chi phí thiết bị thí nghiệm cao, khả năng cơ động thiết bị thấp [58], phương pháp

Supperpave hiện nay mới chỉ được thực hiện ở Việt Nam trong lĩnh vực nghiên cứu,

chưa thể phổ cập đại trà vì chi phí mua sắm thiết bị cao, cần có thời gian để đào tạo nhân

lực trước khi có thể triển khai đại trà. Phương pháp Marshall phương pháp truyền thống

đã được thực hiện ở Việt Nam từ lâu, thí nghiệm đơn giản, chi phí thí nghiệm thấp, tính

cơ động của thiết bị cao. Do vậy trong nghiên cứu áp dụng phương pháp Marshall để

thiết kế hỗn hợp BTN và đúc các mẫu BTNC để phục vụ thí nghiệm xác định mô đun

động của BTN.

Việc chuẩn bị mẫu và thiết kế BTN theo phương pháp Marshall được hiện theo tiêu

chuẩn TCVN 8820:2011 [3] nhưng chỉ thực hiệc việc lựa chọn hàm lượng bitum tối ưu

theo các mẫu chế bị trong phòng thí nghiệm. Do mục tiêu nghiên cứu là khảo sát mối

quan hệ tương quan thực nghiệm giữa tính chất của bitum tới mô đun phức động của

BTNC ở Việt Nam, không phải xác định tìm ra một cấp phối thiết kế tối ưu hay hàm

lượng bitum tối ưu, ngoài ra, theo TCVN 8819-2011 [2] hàm lượng bitum trong sản xuất

được phép sai số ±0.2% so với hàm lượng bitum tối ưu và qua việc thiết kế BTNC tại

các dự án thực tế cho thấy rằng, với cùng loại cấp phối thiết kế thì không có sai khác

nhiều về hàm lượng bitum tối ưu giữa các loại cốt liệu có gốc đá khác nhau nên chỉ tiến

hành xác định hàm lượng bitum tối ưu cho cấp phối đại diện là cấp phối JMF1 (cấp phối

gần với cấp phối trung bình của hai cấp phối JMF2 và JMF3) cho các loại bitum khác

nhau. Cụ thể:

 Với bitum PMBIII và bitum 60/70 sử dụng đá bazan với cấp phối JMF1 để xác

định hàm lượng bitum tối ưu cho BTNC12.5 và BTNC 19.

 Với bitum 40/50 sử dụng đá vôi và cấp phối JMF1 để xác định hàm lượng bitum

tối ưu cho BTNC12.5 và BTNC 19.

Kết quả thiết kế bê tông nhựa theo phương pháp Marshall ứng với cấp phối JMF1 cho

BTNC 12.5 và BTNC 19 của một số loại bitum đại diện được tổng hợp trong các bảng

Yêu cầu

Loại bitum

Cấp phối thiết kế

Chỉ tiêu

Bảng 3.6: Tổng hợp kết quả thiết kế BTNC12.5 Tiêu chuẩn TP hạt TCVN 8819:2011

60/70

40/50 PMBIII

Đá bazan Đá vôi

Pb(%)

4.7

4.72

Đá bazan 5.2

Va(%)

4.49

4.43

3.99

3÷6

VMA(%)

14.82

15.52

16.1

≥14

VFA(%)

69.67

71.485

75.19

65÷75

S(KN)

14.2

14.03

15.74

≥8(12)

Flow(mm)

3.47

3.1

4.75

2÷4(3÷6)

Gmm

2.67

2.553

2.654

Gsb

2.853

2.752

2.879

Gmb

2.55

2.44

2.548

1.031

1.027

1.028

Cỡ sàng (mm) 19 12.5 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075

Lọt sàng (%) 100 94 80 55 37 25 19 15 11 7.5

Cận dưới 100 90 74 48 30 21 15 11 8 6

Cận trên 100 100 89 71 55 40 31 22 15 10

(Bảng 3.6 tới bảng 3.7).

Yêu cầu

Loại bitum

Cấp phối thiết kế

Chỉ tiêu

60/70

40/50 PMBIII

Đá bazan Đá vôi Đá bazan

Bảng 3.7: Tổng hợp kết quả thiết kế BTNC19 Tiêu chuẩn TP hạt TCVN 8819:2011 Cận trên

Pb(%)

4.4

4.45

Va(%)

4.74

4.66

3.43

3÷6

VMA(%)

14.21

14.93

15.11

≥13

VFA(%)

66.62

68.74

77.27

65÷75

S(KN)

15.74

14.53

15.3

≥8(12)

Flow(mm)

2.92

2.78

3.26

2÷4(3÷6)

Gmm

2.698

2.571

2.679

Gsb

2.864

2.753

2.895

Gmb

2.57

2.451

2.587

1.031

1.028

100 100 86 78 61 45 33 25 17 12 8

1.027

Cỡ sàng (mm) 25 19 12.5 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075

Lọt sàng (%) 100 94.5 77 65 44 32 22 16 12 9 6

Cận dưới 100 90 71 58 36 25 17 12 8 6 5

Lưu ý: các yêu cầu trong ngoặc với bảng 3.6 và bảng 3.7 ở trên là các yêu cầu cho BTNC sử dụng bitum PMBIII. Chi tiết tổng hợp kết quả thiết kế BTNC như phụ lục 3

Hàm lượng bitum tối ưu xác định được trong các bảng trên sẽ là cơ sở cho việc thiết kế

thí nghiệm để xác định số lượng các mẫu BTNC cần phải thực hiện ứng với các loại

bitum, các loại đá, loại cấp phối khác nhau trong nghiên cứu của luận án.

3.2. Thiết kế quy hoạch thí nghiệm

Trong công tác nghiên cứu thực nghiệm, một câu hỏi luôn được đặt ra là làm thế nào để

xác định được số lượng mẫu thí nghiệm phù hợp, về nguyên tắc, số lượng mẫu càng

nhiều sẽ các tốt, tuy nhiên, sẽ mất rất nhiều thời gian và tốn kém kinh phí, nếu lượng

mẫu quá nhiều sẽ là phi thực tế. Vậy số lượng mẫu thí nghiệm là bao nhiêu là đủ để vừa

tiết kiệm kinh phí, vừa đảm bảo tính chính xác có thể chấp nhận được trong công tác

nghiên cứu khoa học. Muốn vậy, cần phải thiết kế thực nghiệm (quy hoạch mẫu thí

nghiệm).

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

Taguchi

3.2.1.1. Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp giai thừa.

Thiết kế thực nghiệm DOE (design of experiment) là phương pháp xác định và nghiên

cứu kỹ tất cả các điều kiện có khả năng xảy ra trong thí nghiệm mà có liên quan tới

nhiều yếu tố. Trong các tài liệu, kỹ thuật này còn được gọi là thiết kế giai thừa (factorial

design) [55]. Nếu gọi L là số của các mức độ của mỗi yếu tố và m là các yếu tố ảnh

hưởng tới thực nghiệm, và N- số các thiết kế thực nghiệm cần phải thực hiện thì với một

thiết kế giai thừa hoàn chỉnh, N được xác định theo phương trình (3.1).

N=Lm (3.1)

Qua công thức (3.1) cho thấy khi số mức độ và các yếu tố ảnh hưởng nhiều thì số các

thí nghiệm cần phải thực hiện sẽ rất lớn. Một kỹ thuật khác được áp dụng là nghiên cứu

một phần của thiết kế thực nghiệm đầy đủ gọi là (factional factorial experiements). Cách

tiếp cận này giúp tiết kiệm đáng kể thời gian và chi phí, tuy nhiên đòi hỏi phải xử lý

toán học trong thiết kế thực nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm rất khắt khe. Ngoài ra,

không có quy định cụ thể nào cho việc thiết kế thực nghiệm là một phần của thiết kế

giai thừa, nên mỗi người làm thí nghiệm có thể có một thiết kế thực nghiệm là một phần

của phương pháp giai thừa khác nhau, do đó cả phương pháp thiết kế giai thừa và một

phần của phương pháp giai thừa còn có các hạn chế là:

 Thiết kế thực nghiệm trở lên khó áp dụng (không khả thi do thời gian và kinh phí

nhiều) khi số các biến thay đổi lớn.

 Hai thiết kế của cùng mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm có thể khác nhau.

 Cách hiểu các kết quả thực nghiệm với số lượng lớn hơn các yếu tố ảnh hưởng

có thể gặp khó khăn do thiếu một thiết kế thực nghiệm rõ ràng và các chỉ dẫn

phân tích cụ thể.

Tiến sĩ Taguchi (người Nhật Bản) đã đề xuất phương pháp thiết kế thực nghiệm có thể

khắc phục được các hạn chế đã nêu ở trên.

3.2.1.2. Thiết kế thí nghiệm theo phương pháp Taguchi

Phương pháp Taguchi còn được gọi là phương pháp thiết kế mạnh (the robust design

method), được phát triển bởi tiến sĩ Genichi Taguchi – Nhật Bản [55]. Được đánh giá là

khắc phục được các hạn chế của phương pháp thiết kế thí nghiệm truyền thống (Phương

pháp thiết kế thí nghiệm giai thừa hoặc một phần của thiết kế thí nghiệm giai thừa), do

số lượng mẫu ít hơn nhưng vẫn đảm bảo trong vấn đề đánh giá kết quả và kiểm soát chất

lượng. Hình 3.6 so sánh việc thiết kế thực nghiệm theo phương pháp giai thừa và phương

Hình 3.6: So sánh thiết kế thực nghiệm theo phương pháp truyền thống và phương pháp Taguchi [55]

pháp Taguchi.

Thiết kế thí nghiệm theo Taguchi là phương pháp thiết kế thí nghiệm sử dụng các mảng

trực giao “orthogonal arrays” (OAs) để đảm bảo rằng chất lượng của sản phẩm có mật

độ phân bố gần với giá trị mong muốn. Bảng 3.8 minh họa việc thiết kế thực nghiệm

Bảng 3.8: Ví dụ về thiết kế thực nghiệm mảng trực giao L8(2^7)

Các yếu tố

1 2 1 2 2 1

1 2 2 1 1 2

1 2 2 1 2 1

1 2 1 2 1 2

Số lần chạy 1 2 3 4 5 6

1 1 1 1 2 2

1 1 2 2 1 1

1 1 2 2 2 2

theo phương pháp mảng trực giao L8(2^7) [55].

Các yếu tố

1 2

2 1

1 2

Số lần chạy 7 8

2 2

1 1

Trong đó:

L8- nghĩa là mảng yêu cầu 8 lần chạy và 2^7 nghĩa là thiết kế dự báo 7 ảnh hưởng chính

tại 2 cấp độ với mỗi ảnh hưởng đó. Cũng theo Taguchi, thiết kế mạnh sẽ tạo ra sản phẩm

gần với giá trị lý tưởng, điều đó sẽ giảm được sự thay đổi hoặc sự phân tán quanh giá trị

mong muốn (target value). Phương pháp mảng trực giao buộc các thí nghiệm viên phải

có các thiết kế thí nghiệm giống nhau nhất, các thí nghiệm viên có thể có các giải pháp

khác nhau cho các cột, nhưng với 8 lần chạy sẽ bao gồm tất cả sự phối hợp độc lập của

các cột xác định. Trong trường hợp này, nếu áp dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm

theo phương pháp giai thừa. Số lần chạy sẽ là 27=128 lần chạy. Lớn hơn rất nhiều so với

8 lần chạy.

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

Để thiết kế thí nghiệm theo phương pháp Taguchi, sử dụng phần mềm Minitab 17. Đây

là phần mềm rất mạnh trong lĩnh vực thống kê, có thể giải quyết rất nhiều bài toán khác

nhau trong thống kê ứng dụng như xác định các phép toán thống kê cơ bản, các phép

toán phân tích hồi quy, phân tích phương sai, phương pháp thiết kế thí nghiệm

(DOE)…trong đó có chức năng thiết kế thí nghiệm theo Taguchi.

Áp dụng phần mềm Minitap 17 để thiết kế thí nghiệm theo Taguchi với các thông số

đầu vào như sau:

 Loại đá sử dụng: ba loại đá (đá vôi, đá bazan, đá granit).

 Loại bitum: bốn loại bitum (PMBIII, 35/50; 40/50; 60/70), bước thay đổi hàm lượng

bitum là ±0.3% so với các hàm lượng bitum tối ưu của các thiết kế đại diện từ mục

3.1.3 ở trên.

 Loại cấp phối: ba cấp phối (JMF1, JMF2, JMF3) ứng với mỗi loại BTNC

 Kiểu thiết kế: thiết kế mức 3 (3-level design).

 Số của các thừa số (Number of factors): 3 và Số lần chạy là 9.

Để việc quy hoạch mẫu có hiệu quả, việc quy hoạch được thực hiện riêng cho các hỗn

hợp BTN sử dụng bitum cải tiến polymer và BTN sử dụng các loại bitum thường.

Kết quả quy hoạch mẫu cho các loại BTNC 12.5 và BTNC19 được tổng hợp như các

Bảng 3.9: Số lượng mẫu quy hoạch cho BTNC12.5

Đá

Bitum

Pb(%) Mẫu

Đá

Bitum

Pb(%) Mẫu

Vôi Vôi Vôi

PMBIII Vôi PMBIII Vôi Vôi PMBIII Bazan PMBIII Bazan PMBIII Bazan PMBIII Granit PMBIII Granit PMBIII Granit PMBIII

Cấp phối JMF1 JMF2 JMF3 JMF1 JMF2 JMF3 JMF1 JMF2 JMF3

M4 4.9 M5 5.2 M6 5.5 M1 5.2 M2 5.5 M3 4.9 M8 5.5 4.9 M9 5.2 M10

35/50 40/50 60/70 Bazan 35/50 Bazan 40/50 Bazan 60/70 Granit 35/50 Granit 40/50 Granit 60/70

Cấp phối JMF1 JMF2 JMF3 JMF2 JMF3 JMF1 JMF3 JMF1 JMF2

4.4 4.7 5 5 4.4 4.7 4.7 5 4.4

M21 M22 M23 M24 M25 M26 M27 M28 M29

Bảng 3.10: Số lượng mẫu quy hoạch cho BTNC19

Đá

Bitum

Pb(%) Mẫu

Đá

Bitum

Pb(%) Mẫu

Vôi Vôi Vôi

PMBIII Vôi PMBIII Vôi PMBIII Vôi Bazan PMBIII Bazan PMBIII Bazan PMBIII Granit PMBIII Granit PMBIII Granit PMBIII

Cấp phối JMF1 JMF2 JMF3 JMF1 JMF2 JMF3 JMF1 JMF2 JMF3

4.7 M12 5 M13 5.3 M14 5 M15 5.3 M16 4.7 M17 5.3 M18 4.7 M19 M20 5

35/50 40/50 60/70 Bazan 35/50 Bazan 40/50 Bazan 60/70 Granit 35/50 Granit 40/50 Granit 60/70

Cấp phối JMF1 JMF2 JMF3 JMF2 JMF3 JMF1 JMF3 JMF1 JMF2

4.1 4.4 4.7 4.7 4.1 4.4 4.4 4.7 4.1

M30 M31 M32 M33 M34 M35 M36 M37 M38

bảng 3.9 và bảng 3.10.

Lưu ý: Pb (%) là hàm lượng bitum tính theo tổng trọng lượng của hỗn hợp. Ngoài các

mẫu xác định theo phương pháp quy hoạch mẫu đã nêu trên, đúc thêm hai mẫu kiểm

chứng cho BTNC 12.5 theo cấp phối JMF1 (sử dụng bitum PMBIII, hàm lượng bitum

5.2% cho đá vôi (Mẫu M7, và đá granit mẫu M11). Như vậy, tổng cộng có 38 tổ mẫu

bitum được nghiên cứu thực nghiệm.

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

tông nhựa

Giá trị của |E*| phụ thuộc vào rất nhiều các thông số như loại cấp phối thiết kế, cỡ hạt

danh định lớn nhất (Dmax), loại bitum sử dụng mà đặc trưng là mô đun cắt động(|G*|)

hoặc độ nhớt của bitum, độ rỗng dư Va.., tuy nhiên ảnh hưởng của các thông số đầu vào

tới giá trị của |E*| lại không giống nhau. Phân tích độ nhạy của các thông số đầu vào sẽ

xác định được thông số nào có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị của |E*| để tập trung

kiểm soát chất lượng tốt hơn đối với cả giai đoạn thiết kế hỗn hợp BTN và thi công công

trình.

3.3.1. Phân tích độ nhạy

Phân tích độ nhạy là một kỹ thuật đánh giá ảnh hưởng của mối quan hệ giữa các thông

số đầu vào và kết quả của đầu ra trong một mô hình dự báo. Kỹ thuật phân tích độ nhạy

của các yếu tố ảnh hưởng tới giá trị |E*| đã được các nước trên thế giới nghiên cứu từ

khá lâu [18], [59] với mục đích kiểm soát chất lượng công trình tốt hơn. Ở Việt Nam,

kỹ thuật phân tích độ nhạy để xác định các yếu tố ảnh hưởng tới giá trị |E*| của BTNC

là khái niệm còn mới chưa được áp dụng nhiều. Trong tương lai, thiết kế mặt đường

mềm theo phương pháp cơ học thực nghiệm của Hoa Kỳ có khả năng cao sẽ được áp

dụng vào Việt Nam để nâng cao chất lượng công trình. Việc áp dụng kỹ thuật phân tích

độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| của BTN sẽ có ý nghĩa khoa học, thực tiễn và

giúp cho soát chất lượng mặt đường mềm tốt hơn. Nói chung, kỹ thuật phân tích độ nhạy

có thể phân loại thành hai nhóm chính gồm phân tích độ nhạy cục bộ và phân tích độ

nhạy tổng thể [42].

3.3.1.1. Phân tích độ nhạy cục bộ (OAT)

Phân tích độ nhạy cục bộ (Local sensitive analysis, còn gọi là phương pháp phân tích độ

nhạy một tại một lần, one-at-a-time “OAT”). Theo phương pháp này, việc đánh giá tác

động tới ứng xử của mô hình bằng cách cho thay đổi từng biến đầu vào một cho mỗi lần

chạy, còn các biến đầu vào khác được giữ nguyên xem như là các hằng số. Phương pháp

này không xem xét tới ảnh hưởng và tương tác lẫn nhau giữa các thông số đầu vào tới

ứng xử đầu ra của mô hình. Do vậy phương pháp này chỉ phù hợp với các mô hình đơn

giản không phù với các mô hình phức tạp như các mô hình dự báo |E*|. [42], [59].

3.3.1.2. Phân tích độ nhạy tổng thể (Global sensitive analysis, “GSA”)

Trong phương pháp phân tích độ nhạy tổng thể, tất cả các biến của đầu vào sẽ thay đổi

đồng thời và có xét đến ảnh hưởng của sự tương tác lẫn nhau giữa các biến. Do đó việc

phân tích độ nhạy tổng thể sẽ đánh giá được yếu tố đầu vào nào ảnh hưởng nhiều nhất

tới ứng xử đầu ra của mô hình tốt hơn so với phương pháp phân tích độ nhạy cục bộ

(OAT) và có thể áp dụng để phân tích độ nhạy cho các mô hình phức tạp, ví dụ các mô

hình dự báo |E*| hiện nay của Hoa Kỳ. Việc phân tích độ nhạy tổng thể cần thực hiện

bằng mô phỏng Monte Carlo, và có thể thực hiện được các dạng mô phỏng này với sự

trợ giúp của phần mềm Crystal Ball (một phần mềm phụ trợ có thể tích hợp vào chương

trình MS Excel) [42], [59].

3.3.1.3. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Mô phỏng Monte carlo là một phương pháp sử dụng các số ngẫu nhiên hoặc các biến

ngẫu nhiên nhận được trên cơ sở các số ngẫu nhiên có phân bố xác định. Khi phát ngẫu

nhiên các thông số đầu vào với luật phân bố đã tiên liệu trước từ đó xác định được tập

hợp các tham số ngẫu nhiên đầu ra với quy luật phân bố của chúng. Phương pháp mô

phỏng Monte Carlo có thể xem như một phương pháp mô hình hoá các đại lượng ngẫu

nhiên nhằm tính các đặc trưng phân bố của chúng, đánh giá mô hình thực thông qua mô

hình mô phỏng. Ngày nay, dữ liệu mô phỏng được sử dụng thường xuyên trong các tình

huống khi nguồn lực bị hạn chế hoặc thu thập dữ liệu thực quá đắt hoặc không thực tế .

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

Để có thể phân tích độ nhạy đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào ảnh hưởng

tới |E*| trước hết cần xây dựng được các phương trình quan hệ giữa |E*| và các thông số

đầu vào theo các mô hình dự báo mô đun động của Hoa Kỳ, sau đó xác định dạng phân

bố của các thông số đầu vào trên cơ sở dữ liệu thu thập được, rồi mới tiến hành phân

tích mô phỏng Monte Carlo để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào

tới kết quả của mô hình dự báo với với sự trợ giúp của phần mềm Oracle Crystal Ball

(OCB, bản dành cho chương trình giáo dục 180 ngày).

Phần mềm (OCB) có thể tích hợp vào MS Excel nên rất tiện sử dụng. Phần mềm có rất

nhiều chức năng thực hiện các phép tính phân tích rủi ro, dự báo và mô phỏng các kịch

bản cho một mô hình dự báo, trong đó kỹ thuật phân tích độ nhạy của một mô hình dự

báo là một trong những thế mạnh của phần mềm này.

Yêu cầu đối vối các thông số đầu vào để phân tích độ nhạy là phải biết được dạng phân

bố của các thông số đầu vào để chạy mô hình. Trong trường hợp không biết dạng phân

bố của các thông số đầu vào thì có thể sử dụng phần mềm (OCB) để xác định với điều

kiện mỗi thông số đầu vào có tối thiểu 15 giá trị.

Kết quả sau khi phân tích mô hình là phần mềm sẽ xuất báo cáo kết quả phân tích độ

nhạy gồm tất cả các thông tin liên quan tới đầu vào và đầu ra của mô hình (tên và dạng

phân bố của đầu vào, đầu ra), biểu đồ phân tích độ nhạy. Biểu đồ này minh họa rất trực

quan về ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới kết quả đầu ra của mô hình dự báo.

Nhìn vào biểu đồ sẽ biết được ngay thông số nào ảnh hưởng nhiều nhất tới kết quả đầu

ra của mô hình dự báo.

Trong phạm vi luận án, tiến hành phân tích độ nhạy của các thông số đầu vào ảnh hưởng

tới |E*| theo ba mô hình dự báo đã được ứng dụng nhiều trong thực tiễn của Hoa Kỳ

gồm các mô hình Witczak và mô hình Hirsch.

3.3.2.1. Mô hình Witczak ban đầu (Original Witczak)

Mô hình Witczak ban đầu (Orignal Witczak) được phát triển bởi Andrei Witczak, và

một số các tác giả khác [31], [32], [40], [65], [83]. Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm,

các tác giả đã thu thập được cơ sở dữ liệu của 2750 giá trị |E*| thông qua việc tiến hành

thí nghiệm cho 205 hỗn hợp BTN gồm có 34 hỗn hợp BTN sử dụng bitum cải tiến

polymer và 171 hỗn hợp sử dụng bitum thường. Giữa |E*| và các thông số đầu vào có

mối quan hệ theo phương trình 2.12 (chương 2) .

3.3.2.2. Mô hình Witczak cải tiến (Modified Witczak)

Mô hình Witczak cải tiến (Modified Witczak) là mô hình được phát triển trên cơ sở của

mô hình Witczak đầu tiên, Bari và Witczak đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm thêm

các mẫu thí nghiệm mới và thu thập được cơ sỡ dữ liệu của 7400 giá trị |E*| từ 346 hỗn

hợp BTN khác nhau [40], [65], [83]. Giữa |E*| và các thông số đầu vào có mối quan hệ

theo phương trình 2.14 (chương 2).

3.3.2.3. Mô hình Hirsch

Mô hình Hirsch được phát triển bởi Christensen và các cộng sự trên cơ sở nghiên cứu

thực nghiệm của 18 hỗn hợp BTN sử dụng 8 loại bitum và 5 cỡ hạt và thành phần hạt

khác nhau, xác định được là 206 giá trị của |E*| theo thực nghiệm [40], [65], [83]. Mối

quan hệ giữa |E*| và các thông số đầu vào theo mô hình Hirsch được đề cập trong phương

trình 2.15 (chương 2).

3.3.2.4. Xác định dạng phân bố của các biến đầu vào trong các mô hình dự báo

|E*|

Dạng phân bố của các thông số đầu vào được xác định với sự trợ giúp của phần mềm

Oracle Crystal Ball (OCB). Tùy thuộc vào cơ sở dữ liệu cụ thể của các thông số đầu vào

mà có các dạng phân bố khác nhau. Về nguyên tắc, để xác định dạng phân bố của dãy

số liệu bất kỳ càng có nhiều dữ liệu càng tốt, nhưng nếu không có điều kiện thu thập

nhiều dữ liệu thì phải có tối thiểu cần phải có 15 giá trị của mỗi thông số đầu vào.

Hình 3.7b minh họa giao diện của phần mềm Oracle crystal ball (OCB) khi được tích

Hình 3.7: Phần mềm Orcral Crystal Ball tích hợp vào MS excel 2016

hợp vào microsfot excel (MS excel 2016).

Trên cơ sở kết quả thực nghiệm (38x4 = 152 giá trị của đặc tính thể tích gồm Va, Vbeff,

VFA, VMA), 6 cấp phối ( 3 cấp phối BTNC 12.5 và 3 cấp phối BTNC 19), 120 giá trị

của (|G*|), 120 giá trị của độ nhớt (η), 120 giá trị của góc pha (δb) tại các nhiệt độ -5oC,

10oC , 25oC, 40oC và 60oC và các giá trị của tần số (0.1Hz, 0.5 Hz, 1Hz, 5Hz, 10 Hz và

25 Hz) trong thí nghiệm |E*| ứng với các nhiệt độ tương ứng xác định được dạng phân

bố của các thông số đầu vào với các thông số phân bố được tổng hợp trong bảng 3.11.

Bảng 3.11: Các thông số đầu vào sử dụng để phân tích độ nhạy

Thông số Va(%)

Vbeff(%) VFA(%) VMA(%)

(Beta

P200(%) P4 (%) P3/8 (%) P3/4 (%) Độ nhớt (η, 10^6Poise)

Dạng phân bố phân bố chuẩn logarit (lognormal distribution) Phân bố Logistic Phân bố Logistic Phân bố Beta distribution), Phân bố đều Phân bố đều Phân bố đều Phân bố đều phân bố chuẩn logarit (lognormal distribution)

chuẩn

độ

|G*|(psi)

phân bố chuẩn logarit (lognormal distribution)

chuẩn

lệch

độ

Thông số Dạng phân bố Phân bố beta Góc pha (δb) Tần số f(Hz)

phân bố chuẩn logarit (lognormal distribution)

Các thông số của dạng phân bố Vị trí (location)=0, giá trị trung bình (mean)=4.48, độ lệch chuẩn Std.dev=0.91. Giá trị trung bình 10.36, tỷ lệ 0.4. Giá trị trung bình 70.07, tỷ lệ 2.9 Giá trị nhỏ nhất =13.01; giá trị lớn nhất =25.76, alpha = 4.314; Beta =25.639 Giá trị nhỏ nhất: 4.5; giá trị lớn nhất 8.5 Giá trị nhỏ nhất: 40; giá trị lớn nhất 63 Giá trị nhỏ nhất: 15; giá trị lớn nhất 41 Giá trị nhỏ nhất: 0; giá trị lớn nhất 9 Vị trí (location)=0, giá trị trung bình (mean)= 6241.852006, Std.dev= lệch 24051992.802 Vị trí (location)=0, giá trị trung bình (mean)= 371672.18437, Std.dev= 2951548389.166 Các thông số của dạng phân bố Giá trị nhỏ nhất: 16.722; giá trị lớn nhất 91.64847, anpha: 1.19247; beta : 0.7708126 Vị trí (location)=0, giá trị trung bình (mean)= 11.82, độ lệch chuẩn Std.dev= 69.09

3.3.2.5. Phân tích độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| bằng phương pháp

Mô phỏng Monte Carlo

Sau khi xác định được dạng phân bố của các thông số đầu vào như đã nêu ở mục 3.4.2,

tiến hành thực hiện mô phỏng Monte Carlo để phân tích độ nhạy tổng thể của các yếu

tố ảnh hưởng tới giá trị của |E*| với sự trợ giúp của phần mềm (OCB).

Kết quả phân tích độ nhạy của các thông số đầu vào ảnh hưởng tới giá trị |E*| của BTNC

với số 3000 lần phân tích được thể hiện như các Hình từ 3.8 tới Hình 3.10.

Sensitivity: log(E*)=

-100.0% -50.0% 0.0%

50.0% 100.0%

-100.0%

0.0%

100.0%

96.7%

87.9%

11.6%

-2.7% -0.3%

-0.2%

0.1%

0.2%

-0.1%

-0.1% 0.0%

0.0% 0.0%

η_Viscous f Vbeff= P3/4 Va= P3/8 P200 P4

0.0%

Gsao denta Va Vbeff P_34 P_38 P_4 P_200

0.0% 0.0%

Hình 3.9: Độ nhạy của log(|E*|) trong mô hình Witczk Cải tiến

Hình 3.8: Độ nhạy của log|E*| trong mô hình Witczk truyền thống

Nhận xét:

Sensitivity: E*= 0.000

0.500

-0.500

-1.000

1.000

Qua các Hình 3.8 tới Hình 3.10 cho thấy

Gsao

0.999

có sự thống nhất với nhau trong cả 3 mô

hình là tính chất của vật liệu bitum (|G*|,

VMA

-0.040

VFA=

0.012

, góc pha) có ảnh hưởng nhiều nhất tới

giá trị của |E*|. Tiếp theo đó là ảnh hưởng của cấp phối thiết kế (P4, P3/8, P3/4, P200) và hàm lượng bitum tối ưu được thể hiện

Hình 3.10: Độ nhạy của |E*| trong mô hình Hirsh thông qua các đặc tính thể tích (Va, VMA, VFA, Vbeff).

Các kết quả phân tích độ nhạy của các dữ liệu trong nghiên cứu gần giống với các kết

quả phân tích độ nhạy trên cơ sở dữ liệu thu thập được trong thực tế sản xuất tại dự án

ở Hải Phòng (các Hình 3.11 – Hình 3.13) cũng như một số nghiên cứu khác trên thế giới

về phân tích độ nhạy của các thông số đầu vào ảnh hưởng tới |E*| cho các mô hình

Witczak, mô hình Hirsh hay mô hình dự báo |E*| đã được công bố [18], [28], [61].

Sensitivity: log(E*)=

-100.0% -50.0% 0.0%

50.0% 100.0%

-100.0% -50.0% 0.0% 50.0% 100.0%

84.4%

Gsao

97.8%

15.2%

denta

-2.1%

-0.2%

Va=

-0.1%

Va=

-0.1%

P200

-0.1%

P200

0.0%

P3/8

0.0%

P3/8

Vbeff=

0.0%

Vbeff= Hình 3.11: Độ nhạy của log|E*| trong mô hình Witczk truyền thống

Hình 3.12: Độ nhạy của log(|E*|) trong mô hình Witczk Cải tiến

Lưu ý:

Sensitivity: E*=

-100.0% -50.0% 0.0% 50.0% 100.0%

Dự án tại Hải Phòng chỉ thu thập các dữ

Gsao

99.9%

liệu để phân tích độ nhạy cho BTNC 12.5

nên trong các biểu đồ độ nhạy không

VFA=

0.1%

không có thành phần P3/4 ảnh hưởng tới

VMA

0.0%

giá trị của (|E*|). (lượng hạt tích lũy trên

sáng 19mm).

Hình 3.13: Độ nhạy của |E*| trong mô hình Hirsh

Lý do tính chất của bitum có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị |E*| của BTN là bitum là

vật liệu đàn nhớt, ứng xử của bitum phụ thuộc cả vào nhiệt độ và tần số tác dụng của tải

trọng rất nhiều. Giá trị |G*| của bitum có thể thay đổi trong phạm vi rất lớn giữa các mức

nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp. Ví dụ tỷ lệ giữa |G*| của bitum 60/70 tại tần số 1 Hz ở

10oC và 50oC là 1498.33 lần.

3.4. Nghiên cứu thực nghiệm xác định mô động của bê tông nhựa chặt ở

Việt Nam

Việc nghiên cứu thực nghiệm xác định mô đun động nhằm mục đích xây dựng mối quan

hệ thực nghiệm giữa tính chất của vật liệu bitum sử dụng với mô đun động của các loại

BTNC trên cơ sở nền tảng là các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ theo điều kiện vật

liệu của Việt Nam.

Trên cơ sở các loại vật liệu, cấp phối đã chọn ở mục 3.1, thiết kế thí nghiệm cho BTNC

12.5 và BTNC 19 theo các bảng 3.9 và bảng 3.10 ở mục 3.2. Các bước tiếp theo cần

thực hiện để nghiên cứu thực nghiệm xác định |E*| của các loại BTNC và đề xuất các

hệ số trong các mô hình dự báo |E*| theo điều kiện Việt Nam như sau.

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

3.4.1.1. Vật liệu và thiết bị thí nghiệm.

 Vật liệu

Vật liệu thí nghiệm gồm bốn loại bitum (60/70; 40/50; 35/50 và PMBIII) và ba loại đá

gồm đá vôi ở mỏ đá Phú Hà, Thanh Liêm- Hà Nam, đá bazan (Hataco, Quốc Oai Hà

Nội), đá granit (Mỏ Khe Dầu, Tỉnh Hà Tĩnh), và bột khoáng sử dụng đá vôi của mỏ

Gọng Vối (Thanh Sơn, huyện Kim Bảng, tỉnh Hà Nam).

Cấp phối thiết kế cho BTNC 12.5 và BTNC 19 tuân theo các yêu cầu của [2] và được

tổng hợp như bảng 3.5 của mục 3.1. Phương pháp thiết kế BTN cũng như chuẩn bị các

mẫu thí nghiệm thực hiện theo phương pháp Marshall với hàm lượng bitum và số lượng

mẫu cần chuẩn bị trên cơ sở thiết kế thí nghiệm ở mục 3.2.

Theo phương pháp thiết kế thí nghiệm của Taguchi, mục 3.2 sẽ có 36 tổ mẫu BTNC ứng

với các loại (đá, cấp phối và hàm lượng bitum khác nhau) được tổng hợp trong các bảng

3.9 và bảng 3.10. Tuy nhiên, do có đúc thêm 2 tổ mẫu BTNC để kiểm chứng tại hàm

lượng bitum 5.2% (BTNC 12.5 với đá vôi và đá granit cho cấp phối JMF1), như vậy có

tổng cộng 38 tổ mẫu để thí nghiệm |E*|.

 Thiết bị thí nghiệm

Việc thí nghiệm |E*| được tiến hành bằng thiết bị CRT-UTM-NU của phòng thí nghiệm

vật liệu xây dựng của trường ĐHGTVT. được nhập về trường năm 2009. 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 [27],

[64].

3.4.1.2. Thí nghiệm xác định mô đun động

 Tiêu chuẩn áp dụng

Hiện nay, theo các tiêu chuẩn của Hoa Kỳ, có 3 tiêu chuẩn khác nhau dùng để xác định

giá trị mô đun của BTN, đó là:

 Tiêu chuẩn AASHTO TP 79-13 [66].

 Tiêu chuẩn AASHTO T342-11 [67].

 Tiêu chuẩn AASHTO TP 62-07(2009) [68].

Thiết bị của Trường Đại học Giao thông vận tải phù hợp để thực hiện thí nghiệm theo

tiêu chuẩn AASHTO TP62, do vậy tiêu chuẩn AASHTO TP-62 được áp dụng để thực

hiện thí nghiệm mô đun động của các mẫu BTN.

 Xác định phạm vi nhiệt độ và tần số trong thí nghiệm |E*|

Theo tiêu chuẩn AASHTO TP-62, để thí nghiệm |E*| cần xác định các thông số như tần

số tác dụng của tải trọng, nhiệt độ thí nghiệm… Do đặc thù thiết bị thí nghiệm CRT-

UTM-NU của Trường ĐHGT cài đặt các giá trị mặc định sẵn với tần số tải trọng tác

dụng cố mặc là 0.1Hz, 0.5Hz, 1Hz, 5Hz,10Hz và 25Hz nên các tần số này sẽ thực được

sử dụng trong thí nghiệm |E*| của BTN. Về nhiệt độ, các giá trị nhiệt độ thí nghiệm |E*|

sẽ gồm các nhiệt độ từ thấp tới cao, đủ để kết hợp với phạm vi tần số tác dụng của tải

trọng để xây dựng được các đường cong chủ của mô đun động của các hỗn hợp BTNC

khác nhau đạt độ chính xác phù hợp theo các tiêu chuẩn thống kê đề cập trong bảng 2.3.

Trên nguyên tắc này, các nhiệt độ sử dụng trong thí nghiệm E* gồm có 10oC, 25oC,

40oC, và 55oC và việc thí nghiệm được tiến hành theo thứ tự từ nhiệt độ thấp nhất tới

nhiệt độ cao nhất, và tại mỗi nhiệt độ sẽ tiến hành thí nghiệm theo thứ tự từ tần số lớn

nhất tới tần số nhỏ nhất [68].

 Xác định mức ứng suất và số chu kỳ tác dụng của tải trọng

 Các mức độ ứng suất động tác dụng vào mẫu phụ thuộc vào độ cứng của mẫu,

tùy theo các giá trị của nhiệt độ trong thí nghiệm mẫu mà mức độ ứng suất tác

dụng vào mẫu thay đổi với nguyên tắc nhiệt độ càng thấp thì giá trị ứng suất sử

dụng trong thí nghiệm càng lớn và ngược lại, giá trị ứng suất tác dụng vào mẫu

cần điều chỉnh sao cho mức độ biến dạng dọc trục trong khoảng 50 tới 150

microstrain. Bảng 3.13 đưa ra các mức ứng suất động điển hình tùy theo các giá

Bảng 3.13: Các mức độ ứng suất động tùy theo nhiệt độ thí nghiệm điển hình

Nhiệt độ thí nghiệm

Phạm vi ứng suất

(KPa)

(Psi)

(oC) -10

(oF) 14

1400 -2800

200-400

700-1400

100-200

350-700

50-100

100

140-250

20-50

130

35-70

5-10

trị của nhiệt độ thí nghiệm khác nhau [68]

 Số chu kỳ tác dụng của tải trọng tùy thuộc vào các giá trị tần số sử dụng trong thí

nghiệm, tần số bé thì số chu kỳ tác dụng cũng nhỏ, bảng 3.14 tóm tắt số chu kỳ

Bảng 3.14: Số các chu kỳ thí nghiệm tùy theo các giá trị của tần số khác nhau [68]

Tấn số (Hz)

0.1

0.5

Số chu kỳ

100

200

tác dụng của tải trọng tùy theo các giá trị tần số khác nhau [68].

Các giá trị của |E*| ở các tần số và nhiệt độ khác nếu cần biết, sẽ được xác định bằng

việc xây dựng đường các cong chủ (Master curve) của |E*| của các loại BTNC tương

ứng.

 Tóm tắt phương pháp thí nghiệm

Sau khi công tác chuẩn bị mẫu đã xong, các mẫu BTN được gia công hai đầu mẫu để

đảm bảo các đầu mẫu có mặt phẳng tiếp xúc tốt với bộ phận gia tải, hạn chế các sai số

liên quan tới bề mặt mẫu. Các mẫu sau đó được cho vào tủ kiểm soát nhiệt độ với thời

Bảng 3.15: Thời gian duy trì mẫu thí nghiệm ở các nhiệt độ khác nhau [68]

Nhiệt độ mẫu (oC) 10 25 40 55

Thời gian với mẫu chưa qua thí nghiệm (nhiệt độ phòng là 25oC), (h) Qua đêm 1 2 3

Mẫu đã được kiểm tra ở mức nhiệt độ trước đó 4h hoặc qua đêm 3 2 1

gian duy trì nhiệt độ như bảng Bảng 3.15.

Sau khi các mẫu BTNC đã duy trì đủ thời gian cho từng mức nhiệt độ khác nhau ở trên,

các mẫu sẽ được tiến hành thí nghiệm bằng việc tác dụng một tải trọng hình sin với độ

lớn và chu kỳ tác dụng tùy theo mức nhiệt độ và tần số như các bảng 3.13 và bảng 3.14.

Các bộ phận cảm biến sẽ ghi lại kết quả của biến dạng phục hồi dọc trục của mẫu và

xuất kết quả qua máy tính. Giá trị mô đun động của BTNC (|E*|) sẽ được xác định theo

công thức 1.10 của chương 1. Chi tiết kế quả thí nghiệm |E*| như phục lục 3.

3.5. Xây dựng đường cong chủ (Master curve) của mô đun động |E*|

Mục đích của việc xây dựng đường cong chủ của |E*| là có thể xác định được các giá trị

|E*| tại nhiệt độ và tần số bất kỳ, điều này có ý nghĩa kinh tế-kỹ thuật vì không cần làm

thí nghiệm |E*| nhiều nhưng vẫn có thể xác định được các giá trị |E*| tại bất kỳ mức

nhiệt độ/tần số mong muốn. Phương trình đường cong chủ của |E*| là một hàm hình sin

(phương trình 3.2) và đồ thị logarit các hệ số dịch chuyển (shift factors) chuyển của |E*|

theo nhiệt độ được minh họa như hình 3.15. Nguyên lý và cách xây dựng đường cong

chủ của |E*| đã được trình bày trong mục 1.4.4 của chương 1.

(3.2)

Trong đó:

|E*| - Mô đun động, ksi; δm, β, γ và

là các thông số phù hợp.

: Lần lượt là giá trị mô đun động δm,

Hình 3.15: Biểu đồ hệ số dịch chuyển theo nhiệt độ [23]

nhỏ nhất và lớn nhất của BTN, ksi.

f: Tần số tác dụng của tải trọng tại nhiệt độ thí nghiệm, Hz.

T: Nhiệt độ thí nghiệm, (oK) và Tr –Nhiệt độ tham chiếu, (oK).

: Năng lượng kích hoạt (the activation energy), là năng lượng cần phải cung cấp

để đạt được tốc độ và trạng thái chuyển tiếp cho một phản ứng hóa học hoặc trạng thái

chuyển tiếp vật lý xảy ra. Tiêu chuẩn AASHTO. Giá trị của của được xử lý là một

thông số phù hợp “treated as a fitting parameter”. Giá trị này cùng với các thông số

) là các thông số phù hợp được xác định bằng phương pháp khác (δm, β, γ và

tính toán lặp dần (sử dụng phần mềm MS Excel), giá trị cần tìm đảm bảo sao cho sai số

bình phương giữa giá trị |E*| thực nghiệm và giá trị |E*| tính theo công thức 3.2 nhỏ

nhất. Giá trị của δm và ( - δm) phụ thuộc vào thành phần hạt, hàm lượng bitum,

và độ rỗng dư Va, còn giá trị của β và ɤ phụ thuộc vào đặc tính của bitum và độ lớn của

δm và ( - δm). Giá trị của mô đun giới hạn lớn nhất của BTN được dự báo theo

các đặc tính thể tích của BTN theo phương trình 2.15 và phương trình 2.17.

Khi xây dựng đường cong chủ, tại các nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tham chiếu, các đường

cong |E*| sẽ dịch sang trái và ngược lại.

Phương trình tổng quát xác định hệ các số dịch chuyển của |E*| ở các nhiệt độ khác nhau

(phương trình 3.3) [23].

(3.3)

Với: αT – hệ số dịch chuyển tại nhiệt độ kiểm tra (T).

∆Eα – Năng lượng kích hoạt (xử lý như một thông số phù hợp). Hệ số 19.14714 trong

phương trình 3.3 lấy theo tài liệu tham khảo [23].

T- Nhiệt độ kiểm tra, oK và Tr –Nhiệt độ tham chiếu, oK.

Hình 3.16 là đường cong chủ của mô đun động (|E*|) của BTNC 19 sử dụng bitum

PMBIII ở nhiệt độ tham chiếu 10oC.

24000.00

R2=0.999, Se/Sy=0.032

20000.00

δm=logEmin=1.92707,

10oC

(Ksi)

) a P M

16000.00

, |

β=-1.3852

25oC

* E

12000.00

γ=-0.55123, Eα=225000

Đường cong chủ xây dựng theo theo mô hình

40oC

logEmax=3.51486 (Ksi)

8000.00

55oC

4000.00

Đường cong chủ thực nghiệm

| ( g n ộ đ n u đ ô M

0.00

1.0E-18

7.0E-12

4.9E-05

3.4E+02

2.4E+09

1.7E+16

Tần số tương đương (Hz)

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

Trên cơ sở 912 giá trị kết quả thí nghiệm của |E*| (4 nhiệt độ x 6 tần số x 38 tổ mẫu

=912 giá trị |E*| thực nghiệm, thông tin chi tiết trong phụ lục 3) xác định được các thông

số để xây dựng các đường cong chủ cùng với các thông số thống kê của các mẫu BTN

Bảng 3.16: Các thông số của đường cong chủ và các thông số thống kê tương ứng

Mẫu

Se/Sy

∆Eα

R2 (%) 0.989 0.998 0.993 0.984 0.993 0.991 0.985 0.99 0.992 0.997 0.989 0.993 0.984 0.986 0.994 0.995 0.997

δm (ksi) 0.0240 1.3760 0.7810 0.0100 0.5734 0.0100 0.0100 0.3070 0.0100 0.8800 0.7120 2.0572 2.1740 2.1016 1.5234 0.8017 1.8738

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

0.122 0.05 0.25 0.148 0.088 0.107 0.139 0.105 0.098 0.05 0.11 0.04 0.143 0.13 0.085 0.07 0.053

Log(E*Max) (ksi) 3.51415 3.51939 3.51939 3.51328 3.48988 3.50348 3.49916 3.50049 3.48420 3.47863 3.50099 3.50253 3.49996 3.50851 3.52539 3.49834 3.50849

-0.1970 -0.2650 -0.2530 -0.1819 -0.2661 -0.1203 -0.1753 -0.2450 -0.2075 -0.2000 -0.3350 -0.5023 -0.5690 -0.6078 -0.3513 -0.2821 -0.4544

300000.00 275000.00 243980.00 175000.00 246254.00 315000.00 275051.46 240900.00 236256.00 310543.00 233326.00 223000.00 231894.00 200000.00 235000.00 254951.00 250000.00

-1.9600 -1.2380 -1.6680 -1.5685 -1.9124 -1.5720 -1.8465 -1.8960 -1.8937 -1.6254 -2.0444 -1.4184 -1.0800 -1.2584 -1.2953 -1.8545 -1.4351

ở nhiệt độ tham chiếu 10oC như trong bảng 3.16.

Mẫu

Se/Sy

∆Eα

δm (ksi)

Log(E*Max) (ksi)

R2 (%) 0.999 0.991 0.992 0.99 0.992 0.997 0.992 0.992 0.989 0.991 0.989 0.976 0.996 0.99 0.99 0.993 0.989 0.991 0.987 0.987 0.989

1.9271 1.7020 2.0160 1.8235 1.1381 1.4686 0.1251 1.0450 1.2712 0.4440 0.7968 1.8254 0.8225 1.6000 1.2030 0.0010 0.0010 1.4298 0.0010 0.1040 0.0010

18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

0.032 0.131 0.104 0.109 0.102 0.067 0.098 0.096 0.12 0.105 0.117 0.186 0.072 0.113 0.108 0.098 0.118 0.11 0.128 0.127 0.12

-1.3852 -1.1850 -1.1570 -1.4633 -1.3800 -1.2631 -2.0966 -1.8210 -1.6266 -1.9660 -1.7429 -0.8504 -1.7305 -1.3955 -1.4500 -2.0000 -1.9000 -1.5300 -2.0720 -1.9490 -1.8220

-0.5512 -0.3980 -0.5260 -0.4255 -0.2910 -0.3744 -0.2382 -0.3130 -0.4184 -0.2168 -0.3009 -0.5643 -0.2592 -0.2764 -0.2502 -0.1950 -0.2000 -0.2980 -0.1890 -0.2000 -0.2070

225000.00 225942.00 228899.00 259047.00 250000.00 240000.00 300295.00 262536.00 222200.00 342700.00 265000.00 178145.50 292394.19 261525.00 260000.00 338667.00 262000.00 275000.00 335080.00 300000.00 276465.00

3.51486 3.49679 3.50407 3.51683 3.52688 3.51869 3.51355 3.52691 3.51407 3.52766 3.53222 3.50514 3.52848 3.51416 3.51177 3.52097 3.52942 3.51490 3.52600 3.52418 3.50617

, là các thông số phù hợp và năng lượng kích hoạt Trong đó: δm, β, γ và

có ý nghĩa như đã nêu trong phương trình 3.2.

Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của các mô hình dự báo |E*| bằng việc xây dựng

đường cong chủ theo phương pháp thống kê như bảng 2.3 và các phương trình (2.9 -

2.11) của chương 2.

Căn cứ vào các tiêu chuẩn thống kê trong bảng 2.3 cho thấy với các thông số xác định

được để xây dựng đường cong chủ của |E*| cho các mẫu BTNC tổng hợp trong bảng

3.15 có khả năng xác định giá trị |E*| của các mẫu BTNC ở các tần số và nhiệt độ khác

nhau theo phương trình 3.2 với độ chính xác rất cao.

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

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

Các dữ liệu đầu vào sử dụng để kiểm định các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ cho các

hỗn hợp BTN ở Việt Nam gồm có:

 Các chỉ tiêu của biutm gồm |G*|, góc pha, độ nhớt đã xác định được trong phụ

lục 2.

 Các giá trị |E*| của các loại BTNC xác định theo các đường cong chủ trong bảng

3.16.

 Các thông số khác về hỗn hợp thiết kế như độ rỗng dư Va, độ rỗng cốt liệu…

(phụ lục 3), các thông số về cấp phối như bảng 3.5.

 Phạm vi nhiệt độ và tần số sử dụng để đánh giá các mô hình dự báo |E*| như bảng

Bảng 3.17: Các nhiệt độ và tần số áp dụng trong kiểm định các mô hình dự báo

Nhiệt độ (oC)

-5

Tần số (Hz)

0.1

0.5

3.17.

Phạm vi nhiệt độ và tần số trong bảng 3.17 đã bao trùm hết điều kiện nhiệt độ của các

vùng miền cũng như tốc độ xe chạy trên đường ở Việt Nam. Do các mức tần số trong

thí ngiệm |G*| khác với tần số trong thí nghiệm |E*| và một số giá trị |E*| không nằm

trong phạm vi nhiệt độ thí nghiệm (-5oC, 60oC) nên các giá trị thực nghiệm của |E*|,

|G*|, góc pha trong phạm vi nhiệt độ và tần số trên (bảng 3.17) sẽ được xác định căn cứ

vào các đường cong chủ của |E*| đã xây dựng được trong bảng 3.16. Trong đó, giá trị

độ nhớt của bitum ở các mức nhiệt độ khác nhau xác định theo giá trị |G*| và tần số góc

theo phương trình 2.13 (chương 2) và tần số trong thí nghiệm xác định |G*| có mối quan

hệ với tần số trong thí nghiệm |E*| theo phương trình 1.13 (chương 1) [39].

Từ các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ theo các phương trình 2.12, phương trình

2.14, phương trình (2.15 - 2.17), sử dụng phần mềm MS Excel xây dựng mối quan hệ

giữa |E*| với các thông số đầu vào đã biết. Dùng phương pháp bình phương tối thiểu

và thay đổi các hệ số trong các mô hình dự báo để đạt được giá trị hệ số xác định (R2)

lớn nhất và tỷ số (Se/Sy) nhỏ nhất. Với Se là sai số của các giá trị dự báo và Sy là độ

lệch chuẩn của các kết quả thực nghiệm. Tổng hộp các hệ số của các mô hình dự báo

trước và sau khi hiệu chỉnh như các bảng 3.18 – bảng 3.20 (dấu của các hệ số trong

các phương trình dự báo |E*| được giữ nguyên không thay đổi so với các phương trình

Bảng 3.18: Các hệ số trong mô hình Witczak ban đầu trước và sau khi hiệu chỉnh

Các hệ số trước khi hiệu chỉnh Các hệ số sau khi hiệu chỉnh

3.750063 0.0021 3.462 0.0054

0.02932 0.003958 0.000017 0.0109 0.00005

0.001767 0.002841 0.058097 0.802208 3.871977 0.603313 0.313351 0.393532 0 0.0072 0.39 0.478

0.00547 0.00001 0.0155

0.156 0.0055

2.88 0.442

Bảng 3.19: Các hệ số trong mô hình Witczak cải tiến trước và sau khi hiệu chỉnh

Trước khi hiệu chỉnh

Sau khi hiệu chỉnh

0.349 0.0001 1.06 0.124 0.00019 1.2812

0.754 0.006 2.56 0.6242 0.0123 0.0024

0.0052 0.00014 0.03 0.013 0.000000 0

6.65 0.08 0.71 7.174 0.002 0.00025

0.032 0.7814 0.012 0.00062 1.393 0.58

0.0027 0.5785 0.0001 0.0015 2.288 0.4890

0.011 0.8834 0.01 0.00825 0.00882 0.4830

Bảng 3.20: Các hệ số trong mô hình Hirsch trước và sau khi hiệu chỉnh

100 3

3 20

10000 3

1 0.58

1 650

Trước khi hiệu chỉnh

Sau khi hiệu chỉnh

4200000 100 3 4200000 100 3

1 4200000 0.58 1 4200000 0.419

100 3

3 126.464

10000 3

1 0.419

1 104.627

ban đầu).

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

Từ các hệ số hiệu chỉnh của các mô hình xác định được ở các bảng 3.18 –bảng 3.20.

Xác định được các phương trình dự báo |E*| cho BTNC ở Việt Nam như sau:

3.6.2.1. 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.

(3.4)

3.6.2.2. 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.

(3.5)

3.6.2.3. 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.

( (3.6)

(3.7)

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

Trên cơ sở các đường cong chủ đã xây dựng được trong bảng 3.16, xác định được các

giá trị mô đun động ở các mức nhiệt độ và tần số đề cập trong bảng 3.17, các giá trị mô

đun động này có thể coi như các giá trị mô đun động thực nghiệm vì đường cong chủ

mô phỏng ứng xử của BTNC ở mức độ rất tốt theo các tiêu chí thống kê như bảng 2.3.

Phương pháp (ME) của Hoa Kỳ cũng xác định các giá trị |E*| thực nghiệm của BTN ở

các nhiệt độ trong phân tích kết cấu áo đường mềm theo cách này.

Sử dụng phần mềm MS Excel lập mối quan hệ tương quan giữa các kết quả |E*| (TN)

và kết quả |E*| dự báo theo các mô hình và phân tích thống kê. Phụ lục 4 có trình bày

chi tiết so sánh sự sai khác giữa kết quả dự báo |E*| của các mô hình trước và sau khi đã

hiệu chỉnh các hệ số theo điều kiện vật liệu địa phương của Việt Nam cho một số mẫu

BTNC đại diện. Bảng 3.21 là tổng hợp thông tin các thông số đầu vào dùng để dự báo

|E*| theo các mô hình Witczak và mô hình Hirsh của BTNC 19, sử dụng bitum 60/70,

cấp phối (JMF3) ở các mức nhiệt độ điển hình (10oC, 30oC và 60oC), tần số tác dụng

của tải trọng 10 Hz.

Tổng hợp kết quả dự báo |E*| của các mô hình trước và sau khi đã hiệu chỉnh các hệ số

Bảng 3.21: Tổng hợp các thông số đầu vào sử dụng để dự báo |E*|

Các đặc trưng thể tích (%)

Mô đun cắt độngvà góc pha của bitum

Thành phần hạt

Vbeff VMA VFA

|G*| (psi)

Góc pha (o)

T (oC)

η (10^6) Poise

Cỡ sàng (mm)

1.56233

2.90110

10 30 60

4.270 10.838 15.109 71.743 2265.9780 47.23658 4.270 10.838 15.109 71.743 0.479802 69.589529 70.43109 4.270 10.838 15.109 71.743 0.4207635 86.92993

0.075 4.75 9.5 19

% lọt/giữ lại trên sàng 8.5 40 15 0

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)

Kết quản dự báo

Sai khác so với kết quả thực nghiệm (%)

Mô hình

T oC

Kết quả thực nghiệm (Mpa)

Chưa hiệu chỉnh các hệ số

Sau khi đã hiệu chỉnh các hệ số

Witczak ban đầu

Witczak cải tiến

Hirsch

Chưa hiệu chỉnh các hệ số -28.97% -46.66% -70.27% 121.11% -5.75% -62.07% -1.04% -59.88% -81.75%

Sau khi đã hiệu chỉnh các hệ số 11.62% 0.56% -21.33% 21.26% 6.65% -14.60% -1.76% -60.20% -81.87%

10 30 60 10 30 60 10 30 60

9854.390 4863.922 1374.080 9854.390 4863.922 1374.080 9854.390 4863.922 1374.080

10999.191 4891.184 1080.986 11949.381 5187.131 1173.491 9681.049 1935.897 249.187

6999.103 2594.574 408.518 21788.898 4584.472 521.212 9751.968 1951.568 250.797

theo điều kiện Việt Nam so với kết quả thực nghiệm như bảng 3.22.

Tổng hợp kết quả đánh giá được mức độ phù hợp của các mô hình dự báo trước và sau

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

Mô hình Witczak ban đầu

Mô hình Witczak cải tiến

Mô hình Hirsch

Chỉ tiêu

Sau khi hiệu chỉnh các hệ số

Trước khi hiệu chỉnh các hệ số

Se= Sy= Se/Sy= R2= P-value=

Sau khi Trước khi hiệu chỉnh hiệu chỉnh các hệ số các hệ số 2882.2155 1263.1264 12604.5400 1257.7740 2381.2298 1564.2137 5226.2484 5226.2484 5226.2484 5226.2484 5226.2484 0.455 0.896 0

5226.2484 2.411 0.881 0

0.241 0.9432 0

0.240 0.9432 0

0.551 0.926 0

0.299 0.914 0

khi hiệu chỉnh các hệ số theo tiêu chuẩn thống kê như bảng 3.23.

Se/Sy=0.551 R2=0.926 P-value=0

Se/Sy=0.241 R2=0.9432 P-value=0

Hình 3.17: Mô hình Orginal Witczak trước khi hiệu chỉnh

Hình 3.18: Mô hình Orginal Witczak sau khi hiệu chỉnh

Các Hình 3.17 - Hình 3.22 dưới đây minh họa trực quan hơn về các kết quả trong bảng 3.23.

Se/Sy=2.411 R2=0.881 P-value=0

Se/Sy=0.240 R2=0.9432 P-value=0

Hình 3.19: Mô hình modified Witczak trước khi hiệu chỉnh

Hình 3.20: Mô hình modified Witczak sau khi hiệu chỉnh

Se/Sy=0.455 R2=0.896 P-value=0

Se/Sy=0.299 R2=0.914 P-value=0

Hình 3.21: Mô hình Hirsch trước khi hiệu chỉnh Hình 3.22: Mô hình Hirsch sau khi hiệu chỉnh

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

Trong nghiên cứu để phát triểm mô hình Witczak cải tiến của Hoa Kỳ [39], Javed Bari

dưới sự hướng dẫn của giáo sư Witczak đã nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá độ mạnh

của các mô hình dự báo |E*| khác nhau như (các mô hình dự báo |E*| theo phương pháp

Shell, mô hình Witczak ban đầu, mô hình Witczak cải tiến và mô hình Hirsch).

Kết quả nghiên cứu của Javed Bari cho thấy mô hình Witczak cải tiến với phương trình

xác định |E*| như phương trình 2.14 có khả năng dự báo |E*| tốt nhất trong các mô hình

nghiên cứu [39]. Tổng hợp so sánh độ mạnh của các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ

với các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ sau khi đã hiệu chỉnh các hệ số trong các

phương trình dự báo để có khả năng dự báo |E*| cho các hỗn hợp BTNC ở Việt Nam

Bảng 3.24: So sánh các mô hình dự báo mô đun động của Hoa Kỳ và các mô hình dự báo mô đun động của Việt Nam theo tiêu chuẩn thống kê

Mô hình Witczak ban đầu

Mô hình Witczak cải tiến

Mô hình Hirsch

Chỉ tiêu thống kê

0.242 0.942

Việt Nam 0.240 0.943

Việt Nam 0.265 0.931

Se/Sy= R2=

Hoa Kỳ 0.600 0.650

Việt Nam Hoa Kỳ 0.450 0.800

Hoa Kỳ 0.880 0.230

như bảng 3.24.

Nhận xét:

Từ bảng 3.23 và các Hình (3.17, 3.19, 3.21) có các nhận xét sau:

 Các mô hình dự báo |E*| cho BTNC ở Việt Nam khi chưa hiệu chỉnh các hệ số có

kết quả dự báo kém chính xác (R2 =0.881- 0.926; Se/Sy =0.455- 2.411). Các hình

vẽ cho thấy kết quả dự báo và kết quả thực nghiệm bị phân tán lớn quanh đường

cân bằng (LOE).

 Các mô hình dự báo sau khi hiệu đã hiệu chỉnh lại các hệ số trong các mô hình dự

báo, có khả năng dự báo |E*| ở mức độ rất tốt theo tiêu chuẩn thống kê (R2= 0.914

-0.943; Se/Sy=0.299 – 0.240), mặc dù còn một vài giá trị còn bị phân tán xa so với

đường cân bằng thể hiện qua các hình (3.18, 3.20, 3.22), tuy nhiên mức độ phân

tán quanh đường cân bằng giảm đi rõ rệt.

 Trong ba mô hình dự báo |E*| ở trên, mô hình Witczak cải tiến sau khi hiệu chỉnh

các hệ số theo điều kiện Việt Nam có khả năng dự báo |E*| tốt nhất (R2= 0.943; Tỷ

số Se/Sy=0.240). Mô hình Hirsch có kết quả dự báo |E*| thấp nhất (R2= 0.914; Tỷ

số Se/Sy=0.299).

 Kết quả trong bảng 3.23 cho thấy kết quả dự báo |E*| của cá mô hình ở mức 60oC

còn có sai số tương đối lớn. Mô hình Hirsch chỉ phù hợp khi dự báo |E*| cho BTNC

ở Việt Nam ở mức nhiệt độ thấp.

 Các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ mặc dù đã hiệu chỉnh các hệ số nhưng việc

dự báo |E*| ở mức nhiệt độ cao vẫn chưa tốt vì các sai lệch khá lớn ở một vài điểm

là không thể tránh khỏi do mô hình phải trải rộng trên một khoảng tần số nhiệt độ

100

lớn và hơn thế nữa, các giá trị thực nghiệm của mô đun cắt động |G*|, và mô đun

động |E*| của bê tông nhựa tại nhiệt độ cao là không dễ đo đạc. Ngoài ra, việc đánh

giá độ mạnh của mô hình dự báo (khả năng dự báo của mô hình) nói chung chỉ căn

cứ theo tiêu chuẩn thống kê thông qua các chỉ tiêu là hệ số xác định (R2) và tỷ số

giữa sai số tiêu chuẩn của các giá trị dự báo và độ lệch chuẩn của kết quả thực

nghiệm (Se/Sy). Trong đó, nếu R2≥90% và tỷ số Se/Sy≤0.35 được đánh giá là mô

hình có khả năng dự báo rất tốt. Trong luận án tiến sĩ của Javed Bari được hướng

dẫn bởi Giáo Sư Matthew W. Witczak để xây dựng mô hình Witczak cải tiến để

dự báo |E*| trên nền tảng mô hình Witcrak ban đầu [39]. Việc đánh giá độ mạnh

của các mô hình dự báo trong nghiên cứu này cũng chỉ thực hiện theo tiêu chuẩn

thống kê. Trong đó, mô hình Witcrak cải tiến có các thông số thống kê là R2=90%

và tỷ số Se/Sy=0.32 theo tỷ lệ logarit và R2=80% và tỷ số Se/Sy=0.45 theo tỷ lệ số

học và mô hình Witczak cải tiến đã và đang được áp dụng trong phần mềm cơ học

thực nghiệm để phân tích các kết cấu áo đường trong thực tế ở Hoa Kỳ. Như vậy,

có thể thấy mô hình dự báo trong luận án cho độ chính xác tương tự các nghiên

cứu khác.

 Sở dĩ có sự khác nhau về hệ số xác định (R2) và tỷ số giữa sai số của các giá trị dự

báo và độ lệch chuẩn của kết quả thực nghiệm (Se/Sy) trong các mô hình dự báo

|E*| của Hoa Kỳ và của Việt Nam như bảng 3.24 là do có sự khác nhau về vật liệu

nghiên cứu, thiết bị thí nghiệm áp dụng, cấp phối sử dụng, số lượng mẫu dùng

trong nghiên cứu thực nghiệm khác nhau … Các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ

được xây dựng trên cơ sở dữ liệu rất lớn, với nhiều loại cấp phối và bitum khác

nhau gồm cả BTNC và bê tông nhựa rỗng … do vậy mô hình dự báo có khả năng

bao phủ hết các trường hợp, nhưng kết quả dự báo sẽ có nhiều giá trị trong phạm

vi nào đó phân tán hơn nên hệ số xác định bé hơn và tỷ số giữa sai số dự báo và độ

lệch chuẩn cũng lớn hơn so với mô hình dự báo mô đun động ở Việt Nam chỉ áp

dụng cho một số loại bitum hữu hạn và chỉ sử dụng cấp phối chặt cho hai loại

BTNC 12.5 và BTNC 19.

101

3.9. Kết luận chương 3

 Có thể áp dụng các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ để dự báo |E*| cho BTNC ở

Việt Nam, tuy nhiên cần hiệu chỉnh lại các hệ số trong các mô hình dự báo theo điều

kiện vật liệu địa phương.

 Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết của chương 1, các kết quả nghiên cứu

thực nghiệm ở chương 2 và chương 3 bước đầu đã xác định được mối quan hệ tương

quan thực nghiệm giữa (|G*|, η, δb) và mô đun động của BTNC (|E*|) ở Việt Nam

theo các phương trình (3.4 -3.6). Trong đó phương trình 3.5 là phương trình dự báo

|E*| theo mô hình Witczak cải tiến của Hoa Kỳ với các hệ số trong phương trình đã

được hiệu chỉnh theo điều kiện vật liệu của Việt Nam có kết quả dự báo |E*| với độ

chính xác cao nhất trong ba mô hình (mô hình Witczak ban đầu, mô hình Witczak

cải tiến và mô hình Hirsch) với hệ số xác định R2= 0.943 và tỷ số Se/Sy=0.240.

 Kỹ thuật phân tích độ nhạy là công cụ rất hữu ích để đánh giá ảnh hưởng của các

thông số đầu vào tới kết quả đầu ra của mô hình dự báo. Giá trị |E*| phụ thuộc vào

rất nhiều thông số đầu vào khác nhau, tuy nhiên, kết quả phân tích độ nhạy của các

yếu tố ảnh hưởng tới |E*| đã cho thấy tính chất của vật liệu bitum có ảnh nhiều nhất

tới giá trị của |E*|. Lý do bitum là vật liệu đàn nhớt, tính chất của bitum phụ thuộc

rất nhiều vào sự thay đổi của nhiệt độ và tần số tác dụng của tải trọng. Ví dụ tỷ số

của giá trị mô đun cắt động |G*| của bitum 60/70 tại tần số 1 Hz ở 10oC và 50oC là

1498.33 hay nói cách khác, giá trị |G*| của bitum 60/70 ở 10oC (tại tần số 1 Hz) gấp

1498.33 lần giá trị |G*| của bitum 60/70 ở 50oC (tại tần số 1 Hz).

 Thiết kế thí nghiệm theo phương pháp Taguchi sẽ giúp tiết kiệm thời gian và kinh

phí do xác định được số mẫu thí nghiệm cần phải thực hiện ít hơn nhiều so với thiết

kế thí nghiệm theo phương pháp giai thừa nhưng vẫn đảm bảo kết quả nghiên cứu

có tính khoa học và độ chính xác trong công tác nghiên cứu.

102

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

Thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp cơ học thực nghiệm (Mechanical-Empirical

Pavement Design “(ME)”, thường gọi tắt là phương pháp cơ học thực nghiệm) là phương

pháp mới được nghiên cứu và phát triển bởi Hoa Kỳ được đánh giá là có nhiều ưu điểm

hơn các phương pháp thiết kế mặt đường mềm ở Việt Nam hiện nay như (22TCN 211-

06 (2006) - Áo đường mềm- các yêu cầu và chỉ dẫn [9], 22TCN 274-01 (2001) - Chỉ

dẫn thiết kế mặt đường mềm [10]) do yêu cầu của các thông số đầu vào cho chương

trình thiết kế phù hợp với điều kiện làm việc của kết cấu mặt đường hơn và có khả năng

dự báo được ứng xử của kết cấu mặt đường mềm trong quá trình khai thác theo thời

gian, ví dụ như xem vật liệu BTN là vật liệu đàn nhớt thể hiện qua thông số mô đun

động |E*| của BTN, dự báo hằn lún vệt bánh, chỉ số độ gồ ghề quốc tế (IRI), dự báo nứt

phân bố và nứt nhiệt theo thời gian trong quá trình khai thác. [46], [53], [54].

Cũng do các ưu điểm trên, nhiều bang khác nhau của Hoa Kỳ và một số quốc gia đã tiến

hành các dự án cụ thể để nghiên cứu về phương pháp thiết kế mặt đường theo (ME),

kiểm định và hiệu chỉnh các hệ số của (ME) theo điều kiện vật liệu, khí hậu địa phương

trước khi áp dụng vào thực tiễn [33], [36], [41], [48], [60], [61], [84].

4.1. Thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm

Với mục tiêu lựa chọn được một kết cấu áo đường hợp lý nhất với điều kiện cụ thể của

dự án. Thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm là quá trình phân tích

lặp với ba giai đoạn với các bước khác nhau được thể hiện bằng sơ đồ khối như hình 4.1

[44], [46].

Hình 4.1 : Các bước thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm [44]

103

104

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của |E*| tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt đường mềm

ở Việt Nam sử dụng phần mềm cơ học thực nghiệm phiên bản DARWin-ME 2.3.1 được

cập nhật 01/7/2016. Chương trình có khả năng phân tích 17 loại kết cấu mới và nâng

cấp cải tạo với nhiều thư viện kết cấu/vật liệu phong phú, các thông số đầu vào mặc định

hoặc có thể thay đổi theo mục đích thiết kế [16], [46].

 Kết cấu mặt đường mềm có lớp mặt BTN (HMA) làm mới hoặc xây dựng lại.

 Kết cấu mặt đường BTXM phân tấm (JPCP) hoặc BTXM cốt thép liên tục

(CRCP) làm mới hoặc xây dựng lại.

 Lớp BTN tăng cường trên mặt đường cũ BTN, BTXM phân tấm hoặc BTXM cốt

thép liên tục.

 Lớp BTXM tăng cường, có kết dính hoặc không kết dính trên mặt đường cũ

BTXM phân tấm, BTXM cốt thép liên tục, hoặc mặt đường BTN.

 Kết cấu mặt đường tăng cường có sử dụng lớp tái chế.

Việc thiết kế kết cấu mặt đường theo (ME) là quá trình xử lý lặp của phương án kết cấu

lựa chọn trên cơ các thông số đầu vào điều tra/thu thập cho tới khi chọn được một kết

cấu thỏa mãn các bước đã đề cập trong sơ đồ khối Hình 4.1 ở trên.

4.1.1. Điều tra và thu thập tất cả các thông số đầu vào

Trong bước này, cần phải điều tra và thu thập toàn bộ các thông số đầu vào cần thiết cho

công tác thiết kế gồm có (dữ liệu về giao giao thông, loại vật liệu và các chỉ tiêu cơ lý

cần thiết, khí hậu…). Căn cứ vào tiêu chuẩn thiết kế chọn độ tin cậy phù hợp và sau đó

chọn một kết cấu thử (thiết kế thử).

4.1.1.1. Thu thập dữ liệu giao thông

Phương pháp cơ học thực nghiệm (ME) sử dụng dữ liệu về tải trọng giao thông theo các

dữ liệu điều tra/thu thập thực tế như (đếm và cân xe, phân loại xe…) với 3 mức độ tải

trọng thiết kế khác nhau. Mức độ thiết kế 1 (mức độ 1) yêu cầu phải điều tra cụ thể, chi

tiết về lượng giao thông thiết kế (lưu lượng, chủng loại, tốc độ …) cho dự án nghiên

cứu. Dữ liệu giao thông của mức độ 1 được coi là đại diện nhất cho lượng giao thông

trong quá khứ và tương lai của dự án sẽ thực hiện trong khi với mức độ thiết kế 3 (mức

độ 3) thì có thể sử dụng các giá trị mặc định có sẵn trong phần mềm được tích hợp cơ

sở dữ liệu trong thực tế của các nghiên cứu đã có sẵn từ các dự án đã nghiên cứu và mức

105

độ thiết kế 2 (mức độ 2) là mức thiết kế trung gian của mức độ 1 và mức độ 3. Thông

số tải trọng được xác định bằng giá trị trung bình quá trình cân xe hoặc chuỗi số liệu

quan trắc hàng năm của khu vực dự án [16], [46].

Ở Việt Nam, trong đề tài nghiên cứu cấp bộ năm 2017 [16], trên cơ sở các nghiên cứu

của Hoa Kỳ kết hợp với các nghiên cứu trong nước đã nghiên cứu và phân loại giao

thông ở Việt Nam áp dụng cho (ME) thành năm nhóm nhác nhau [16].

Đề tài cũng kiến nghị tỷ lệ các xe trong dòng xe tải, xe khách trên các quốc lộ chính của

Việt Nam cho các nhóm là:

 Nhóm 5: 73.85%

 Nhóm 6: 14.25%

 Nhóm 8: 1.93%

 Nhóm 9: 8.58%

 Nhóm 10: 1.39%

4.1.1.2. Khí hậu và thời tiết

Điều kiện khí hậu và thời tiết có ảnh hưởng rất lớn tới ứng xử của vật liệu mặt đường,

vì tất cả các loại vật liệu làm đường đều phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của môi trường,

đặc biệt là BTN có |E*| phụ thuộc nhiệt độ, tần số tác dụng của tải trọng, tính liên kết đá

nhựa phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường, BTXM phụ thuộc vào thay đổi nhiệt độ mà

gây ra ứng suất nhiệt dẫn tới rạn nứt, đất nền ẩm ướt làm giảm sức chịu tải …

Việc nghiên cứu và so sánh các trạm khí hậu điển hình của Việt Nam là Hà Nội, Đà

Nẵng và Vũng Tàu so với 12 vùng khí hậu của Hoa Kỳ cũng đã được thực hiện trong đề

tài nghiên cứu cấp Bộ ở Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy số liệu khí hậu của Việt

Nam có thể sử dụng để phân tích kết cấu mặt đường theo phương pháp (ME).

4.1.1.3. Các thông số về vật liệu

Các thông số về vật liệu sử dụng cho (ME) gồm có các thông số liên quan tới các loại

vật liệu sử dụng trong xây dựng nền mặt đường, gồm có vật liệu cho lớp đất nền thượng,

vật liệu móng gia cố/không gia cố, vật liệu BTN, BTXM… với các trường hợp kết cấu

mặt đường tăng cường trên mặt đường hiện hữu thì cần phải tiến hành khảo sát thực địa

mới có thể đánh giá và thu thập được dữ liệu phục vụ cho công tác thiết kế. Trong phạm

106

vi luận ánh chỉ đề cập tới các thông số về vật liệu cho đường mềm xây dựng mới. Các

thông tin liên quan tới yêu cầu của việc thu thập thông số vật liệu cho mặt đường nâng

cấp, mặt đường BTXM xin tham khảo [16], [46].

Với mặt đường BTN xây dựng mới, các thông số đầu vào vật liệu cần phải thu thập

gồm:

 Lớp đất nền thượng (Subgrade layer) và vật liệu không gia cố

Theo (ME) lớp đất nền thượng có thể là các loại đất theo phân loại của AASHTO từ loại

đất A1 tới loại đất A-7-6. Trong đó, vật liệu không gia cố là các loại vật liệu theo phân

loại của AASHTO M145 được phân loại từ nhóm A1 tới nhóm A3, các loại đá(sỏi)

nghiền, sỏi suối/sông) hoặc các sản phẩm tái chế nguội khác. Các loại đất được phân

loại thuộc các nhóm từ A1 tới A3 được đánh giá từ rất tốt tới tốt trong khi các loại đất

phân loại theo các nhóm từ A4 tới A7 được đánh giá là từ khá tới rất xấu đối với công

tác đắp nền. [16], [46], [74].

Giá trị mô đun đàn hồi (Mr) của lớp nền thượng/vật liệu không gia cố là một trong các

thông số đầu vào quan trọng nhất của vật liệu nền đắp và các lớp móng đường. Với

phiên bản (ME) hiện tại chỉ có hai mức độ yêu cầu cho Mr ở hai mức độ thiết kế khác

nhau.

 Mức độ đầu vào 2 (input level 2) cho phép xác định giá trị Mr từ thí nghiệm trực

tiếp hoặc sử dụng các phương trình tương quan thực nghiệm giữa Mr với các

thông số khác để xác định Mr của lớp đất nền thượng khi không có điều kiện thí

nghiệm [46].

 Mức độ đầu vào 3 (input level 3) : Các giá trị của Mr phụ thuộc vào các loại đất

khác nhau được tích hợp sẵn vào trong phần mềm. Khi loại vật liệu đất nền được

lựa chọn, phần mềm sẽ tự xác định giá trị của Mr tương ứng [46].

Các phương trình tương quan thực nghiệm giữa Mr và các thông số khác của đất, và

phân loại đất theo [74] và giá trị Mr của vật liệu không gia cố tùy theo phân nhóm của

loại vật liệu sử dụng cho phương pháp (ME) của Hoa Kỳ có thể tham khảo phụ lục 5.

Các thông tin liên quan tới yêu cầu về vật liệu đầu vào của đất nền cho các mức thiết kế

khác nhau như bảng 4.1a.

Bảng 4.1a: Các chỉ tiêu đầu vào của nền đất ứng với các mức thiết kế khác nhau [16]

Chỉ tiêu

Mức 2

Mức 3

Mô đun đàn hồi Mr

Thí nghiệm AASHTO T307

Mặc định theo phân loại đất AASHTO

Mặc định theo phân loại đất

Cấp phối hạt

Thí nghiệm AASHTO T 27

AASHTO

Mặc định theo phân loại đất

Giới hạn Atterberg

AASHTO T195

AASHTO

Hệ số Poisson

Mặc định của ME bằng 0.35 Mặc định của ME bằng 0.35

Hệ số áp lực bên

Mặc định của ME bằng 0.5

Dung trọng khô lớn nhất AASHTO T180

Độ ẩm tối ưu

AASHTO T180

Khối lượng riêng

AASHTO T180

Được tính toán trong (ME) từ cấp phối hạt, chỉ số dẻo và

Độ dẫn nước bão hòa

AASHTO T215

giới hạn chảy.

Không áp dụng

Thông số đường đặc tính nước ngầm

107

 Vật liệu gia cố

Vật liệu gia cố được được phân loại rộng rãi theo các giá trị cường độ và các tính chất

nhiệt của vật liệu. (ME) yêu cầu các tính chất cường độ của vật liệu gia cố với mặt đường

mềm khác với mặt đường cứng.

Các loại vật liệu gia cố cho kết cấu mặt đường mềm có thể gồm có các vật liệu hạt gia

cố xi măng, gia cố vôi, sự kết hợp giá cố xi măng-vôi-tro bay. Việc sử dụng các loại vật

liệu gia cố sẽ nâng cao tuổi thọ và chất lượng cho công trình. Các thông số về cường độ

có thể xác định trực tiếp trong phòng thí nghiệm hoặc thông qua các phương trình tương

quan liên quan tới các cường độ mẫu R7 (mẫu 7 ngày) hoặc R28 (mẫu thí nghiệm sau 28

ngày) đã được nghiên cứu ở Hoa Kỳ. Tính dẫn nhiệt và khả năng chịu nhiệt của vật liệu

được lấy theo các giá trị mặc định của chương trình. Giá trị của hệ số poát xông với vật

liệu gia cố thay đổi từ 0.15 tới 0.35 cho các loại vật liệu gia cố khác nhau [32], [44].

Các yêu cầu về tiêu chuẩn vật liệu, các chỉ tiêu cơ học của các mức thiết kế khác nhau

(mức 1,2,3) và giá trị hệ số poát xông của vật liệu gia cố theo các hướng dẫn (ME) và

nghiên cứu ở NCAT được tổng hợp trong từ bảng 4.26 tới bảng 4.30 [44] trong phụ lục

108

Trong nghiên cứu của đề tài cấp bộ năm 2017 [16] đã đề xuất thông số vật liệu cho lớp

móng gia cố như sau :

Đối với lớp đá gia cố xi măng, kiến nghị nghiên cứu sửa đổi tiêu chuẩn TCVN8819-

2011 : Quy định cường độ nén ở 7 ngày tuổi thay cho 14 ngày ; Quy định cường độ chịu

kéo uốn thay cho cường độ ép chẻ ; Khống chế tỷ lệ xi măng không nên quá cao (nên

nhỏ hơn hoặc bằng 5% khối lượng cốt liệu) để đảm bảo cường độ chịu nén ở 7 ngày tuổi

chỉ vào khoảng 4.14-5.52MPa (600-800psi).

 Vật liệu bê tông nhựa

Theo phiên bản cơ học thực nghiệm (ME Design V2.3) [46], vật liệu BTN có 3 mức

thiết kế (1, 2,3) với hai nhóm thông số đầu vào chủ yếu :

 Thể tích hỗn hợp (dung trọng, thể tích có hiệu

 của bitume (Vbeff), độ rỗng dư (Va), hệ số poát xông (lấy theo giá trị mặc định

nếu ở mức thiết kế 3 và tính toán theo |E*| của BTN nếu ở mức 2).

 Các tính chất cơ học : Gồm các mức lựa chọn 1 (nhập trực tiếp kết quả thí nghiệm

|E*| vào chương trình), lựa chọn 2 (giá trị |E*| sẽ được phần mềm tính toán theo

tính chất của vật liệu bitum được thí nghiệm tại phòng thí nghiệm và cấp phối

thiết kế sử dụng trong hỗn hợp BTN), mức 3 (giá trị |E*| được xác định theo

nhóm bitum đã lựa chọn và cấp phối thành phần hạt sử dụng trong thiết kế hỗn

hợp BTN).

Ngoài ra, các ứng xử từ biến, cường độ kéo gián tiếp, tính chất nhiệt (tính dẫn nhiệt,

truyền nhiệt, co ngót do nhiệt đặc trưng bởi hệ số co ngót nhiệt của BTN) là các thông

số đầu vào cũng được yêu cầu đối với vật liệu BTN. Trong đó, cả ứng xử từ biến và kéo

gián tiếp cũng gồm 3 mức thiết kế (1,2,3) như đối với |E*|. Với ứng xử từ biến mức 1

yêu cầu thí nghiệm trực tiếp với các nhiệt độ (-20oC, -10oC và 0oC), mức 2 yêu cầu thí

nghiệm từ biến tại -10oC và mức 3 giá trị từ biến của BTN được tính toán thông qua các

thông số đầu vào khác. Còn với cường độ kéo gián tiếp (mức 1 và 2) yêu cầu thực hiện

ở (-10oC) và mức 3 thì tính toán thông qua các thông số khác có liên quan tới BTN.

109

 Vật liệu bitum

Với vật liệu bitum ở mức thiết kế 1 và mức thiết kế 2 có hai sự lựa chọn hệ thống phân

loại bitum trong chương trình gồm lựa chọn theo Superpave (Superpave Performance

Grade) và hệ thống phân loại theo độ kim lún/độ nhớt (Penetration/Viscosity Grade)

[46].

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

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

Sau khi đã thu thập được các thông số đầu vào theo (mục 4.1.1). Một phương án kết cấu

mặt đường được lựa chọn để phục vụ cho việc phân tích đánh giá kết cấu theo các yều

cầu cụ thể của tiêu chuẩn thiết kế. Bảng 4.1b minh họa tiêu chuẩn thiết kế cho mặt đường

Bảng 4.1b: Các chỉ tiêu đầu vào của nền đất ứng với các mức thiết kế khác nhau [16]

Tiêu chuẩn

Hệ US

Hệ SI

Độ tin cậy, % 90

Độ gồ ghề IRI ban đầu

1.00 (m/km)

Độ gồ ghề IRI cuối cùng

2.71 (m/km)

Tổng chiều sâu lún vệt bánh xe toàn kết cấu

Nứt mỏi từ dưới lên của lớp bê tông nhựa

63.00 (in/mile) 172.00 (in/mile) 1.00 (in) 25.00 (% diện tích làn) 1000 (ft/mile) 2000 (ft/mile)

25.4 (cm) 25.00 (% diện tích làn) 189.4 (m/km) 378.8 (m/km)

90 90

0.50 (in)

12.5 (cm)

Nứt nhiệt của lớp bê tông nhựa Nứt mỏi từ trên xuống của lớp bê tông nhựa Chiều sâu lún vệt bánh trong các lớp bê tông nhựa

mềm theo (ME) ứng với độ tin cậy là 90% (R=90%).

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

Sau khi đã chọn một thiết kế thử, sử dụng phần mềm phân tích ứng của thiết kế thử để

dự báo dự thực hiện của thiết kế thử xem có đạt các yêu cầu theo tiêu chuẩn thiết kế đã

chọn không ? Nếu không đạt thì điều chỉnh lại các thông số đầu vào như tăng chiều dày

lớp BTN, lớp móng … thay đổi loại vật liệu ví dụ từ móng bằng vật liệu không gia cố

thay bằng vật liệu gia cố… sau đó chạy chương trình phân tích lại tới khi đạt yêu cầu.

4.1.2.3. Xác định thiết kế khả thi

Sau quá trình tính toán lặp, kết cấu đạt tất cả các tiêu chuẩn thực hiện gọi là thiết kế khả

thi, ngoài ra (ME) cũng cho phép thực hiện phép tính tối ưu chiều dày thiết kế của bất

110

kỳ lớp nào của kết cấu mặt đường ở trên đỉnh nền đắp (above the semi-infinite thickness)

với bước thay đổi chiều dày là 12.7mm cho một lần thay đổi [46].

4.1.2.4. Các hệ số kiểm định

Phiên bản (ME) hiện tại cũng cho phép điều chỉnh lại các hệ số kiểm định sử dụng trong

các mô hình ứng xử với mục đích kết cấu mặt đường lựa chọn phù hợp với điều kiện địa

lý, vật liệu, khí hậu của địa phương, từ đó mô phỏng ứng xử của kết cấu mặt đường đã

chọn phù hợp với điều kiện thực tế của dự án nhất. Tuy nhiên, để xác định được các hệ

số kiểm định này cần thông qua các dự án cụ thể với nhiều thời gian và kinh phí mới có

thể thực hiện được.

Nguyên lý chung của việc xác định hệ số kiểm định là gắn vào một dự án cụ thể cho

mỗi vùng/khu vực, sau thời gian khai thác định kỳ (6 tháng, 1 năm, 3 năm ……) khảo

sát đánh giá chất lượng mặt đường tại hiện trường và so sánh các kết quả khảo sát với

ứng xử đã phân tích bằng mô hình (độ gồ gế IRI, hằn lún vệt bánh, nứt mỏi, nứt phân

bố …) rồi áp dụng các phép toán thống kê để xác định lại các hệ số kiểm định.

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

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

Trong quá trình khai thác, dưới tác dụng của tải trọng trùng phục của bánh xe kết hợp

với ảnh hưởng của môi trường và khí hậu, mặt đường mềm bị suy giảm cường độ và sẽ

xuất hiện một số dạng hư hỏng và các dạng hư hỏng này ngày càng tăng lên theo thời

gian. Các dạng hư hỏng theo thời gian của mặt đường mềm gọi là đặc trưng khai thác

của mặt đường, trong đó các dạng hư hỏng điển hình trong khai thác kết cấu mặt đường

mềm gồm có:

4.2.1.1. Hư hỏng mỏi (nứt mỏi) của mặt đường bê tông nhựa trong khai thác

Nứt mỏi có thể có dạng da cá sấu hay nứt dọc. Nứt dạng da cá sấu xảy ra do quá trình

tải trọng lặp làm cho vật liệu bị mỏi và có thể xuất hiện dưới vệt bánh xe rồi lan rộng ra

các vị trí lân cận tới toàn mặt đường, vết nứt dạng này bắt đầu từ đáy lớp BTN rồi phát

triển tới bề mặt đường. Còn nứt dọc thì được giả thiết là phát triển bắt đầu từ đỉnh lớp

BTN và lan truyền xuống dưới gọi là (top-down cracking) [45].

111

4.2.1.2. Hư hỏng dạng hằn lún vệt bánh xe

Hằn lún vệt bánh xe là dạng biến dạng không phục hồi tại vị trí các vệt bánh xe của các

lớp BTN trong quá trình khai thác [77]. Hằn lún vệt bánh xe do tích lũy của biến dạng

vĩnh cữu ở tất cả hoặc một số các lớp trong kết cấu mặt đường.

4.2.1.3. Nứt Nhiệt

Nứt nhiệt xảy ra khi nhiệt độ môi trường giảm, vật liệu BTN bị co ngót gây ra sự dịch

chuyển vật liệu BTN, sự dịch chuyển này bị cản trở do ma sát với vật liệu ở dưới gây ra

ứng suất kéo xuất hiện trong lớp BTN. Khi ứng suất kéo vượt quá cường độ kéo ứng

suất kéo cho phép của vật liệu thì sẽ gây ra nứt nhiệt trong BTN [77].

4.2.1.4. Chỉ số độ gồ ghề quốc tế IRI (International Roughness Index)

Chỉ số độ gồ ghề quốc tế (IRI) là một chỉ tiêu được sử dụng để đánh giá mức độ bằng

phẳng của mặt đường, có đơn vị là (m/Km hoặc in/mile) thường có giá trị từ 0 (m/Km)

tới 20 (m/Km) [4]. Giá trị của IRI càng lớn thì mặt đường càng kém bằng phẳng. Tiêu

chuẩn thiết kế mặt đường theo (ME) thường quy định giá trị mặc định ban đầu khi đưa

đường vào khai thác là (1m/km, hay 63 in/mile) và kết thúc là 2.71m/km hay 172 in/mile

[46], [77].

Các dạng hư hỏng điển hình trên có thể dự báo được bằng phần mềm “AASHTO Ware

Pavement ME Design” khi phân tích ứng xử của kết cấu mặt đường theo các thông số

đầu vào đã biết (lượng giao thông thiết kế, điều kiện khí hậu, giá trị |E*| và chiều dày

của lớp (các lớp BTN), giá trị |G*|, …. Hoa Kỳ cũng đã áp dụng kỹ thuật phân tích độ

nhạy để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới đặc trưng khai thác

của mặt đường mềm, kết quả phân tích độ nhạy cho thấy rằng giá trị mô đun động của

BTN |E*| ảnh hưởng rất lớn tới các đặc trưng khai thác của mặt đường mềm gồm nứt

phân bố, hằn lún vệt bánh, chỉ số độ gồ ghề IRI với mức độ nhạy là “rất nhạy”. Với đặc

trưng nứt nhiệt thì ảnh hưởng của |E*| nhỏ hơn nhưng vẫn được ở mức độ nhạy [26].

Như vậy giá trị |E*| có ảnh hưởng lớn tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt đường

mềm.

Để nghiên cứu ảnh hưởng của mô đun động |E*| tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt

đường mềm ở Việt Nam. Trong phạm vi luận án, chọn điều kiện vật liệu, khí hậu khu

112

dự án ở khu vực Hải Phòng và chỉ tiến hành phân tích, đánh giá đối với kết cấu của mặt

đường với các thông số đầu vào cụ thể như các mục sau đây.

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

4.2.1.1. 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, các thông tin cụ thể về dữ liệu giao thông của dự án được đề cập trong phụ lục

5 [16]. Trên cơ sở dữ liệu giao thông thực tế xác định được lượng giao thông thiết kế

của năm đầu đưa công trình vào khai thác, sau thời gian khai thác 7 năm và 15 năm như

Bảng 4.2: dữ liệu giao thông

Năm

Xe tải nặng (Tích lũy)

Phần trăm xe tải trong làn thiết kế

Tốc độ thiết kế (mph)

Số làn trong hướng thiết kế

Phần trăm xe tải trong hướng thiết kế

2019 2026 2034

4403 5504060 12880700

bảng 4.2.

Lượng xe tải của cả hai chiều trong năm đầu khai thác (Initial two-way AADT) 4403

2

50

80

37.3

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) đề cập ở phụ lục của Chương 4.

4.2.1.2. 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). Các thông tin liên quan tới đặc trưng khí hậu gồm có vị trí địa lý (vĩ

độ/kinh độ) và các thông tin thống kê hàng năm gồm (nhiệt độ không khí, lượng mưa

trung bình hàng năm của khu vực Hà Nội (Vĩ độ 21, kinh độ 106) với các thông tin tổng

hợp vể khí hậu đề cập trong bảng 4.3.

Bảng 4.3: Thông tin khí hậu của một số khu vực đại diện ở Việt Nam

Số liệu thống kê hàng năm Nhiệt độ không khí trung bình hàng năm (ºF) Lượng mưa trung bình hàng năm (in) Chỉ số đóng băng (Freezing index ºF - days) Số chu kỳ đóng băng và tan băng

Hà Nội 74.89 85.17 0.00 0.00

113

4.2.1.3. Vật liệu

Các thông số về vật liệu sử dụng để phân tích kết cấu mặt đường theo (ME) gồm :

− Các giá trị của |E*| ở các nhiệt độ và tần số khác nhau cùng các thông số thể tích,

dung trọng… của các loại bê tông nhựa chặt sử (BTNC 12.5, BTNC 19) sử dụng

các loại bitum (60/70 ; 40/50 và PMBIII) và các thông số về mô đun cắt

động(|G*|), góc pha (δb) của các loại bitum này ở các nhiệt độ khác nhau.

− Các giá trị của |E*| ở các nhiệt độ và tần số khác nhau cùng các thông số thể tích,

dung trọng, … của lớp móng gia cố bitum (ATB) với cỡ hạt danh định 25mm sử

dụng bitum 60/70 và các giá trị của (|G*|) và góc pha của bitum 60/70 ở các nhiệt

độ khác nhau.

− Các chỉ tiêu thành phần hạt, sức chịu tải (CBR), giới hạn chảy, giới hạn dẻo, chỉ

số dẻo, dung trọng của vật liệu đất nền K98 của các vật liệu liên quan tại dự án

Hải Phòng.

Các Thông tin về các vật liệu thông số đầu vào (BTNC 12.5, BTNC 19, ATB [17], lớp

nền thượng, lớp cấp phối đá dăm móng dưới và lớp cấp phối đá dăm móng trên được

tổng hợp trong các bảng của phụ lục chương 4.

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

Trình tự các bước thiết kế mặt đường theo (ME) đã trình bày ở mục 4.1. Để phân tích

kết cấu mặt đường theo phương pháp (ME) trên cơ sở dữ liệu thực tế, trước hết cần lựa

chọn các giải pháp kết cấu mặt đường, sau đó phân tích các kết cấu mặt đường đã lựa

chọn theo (ME).

4.2.3.1. Lựa chọn các phương án thiết kế thử

Các phương án của kết cấu thử khác nhau được được lựa chọn như hình 4.2 và bảng 4.4.

Ghi chú

- 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.

Hình 4.2: Phương án bố trí kết cấu mặt đường

Bảng 4.4: Tổng hợp các phương án kết cấu mặt đường khác nhau

Kết cấu số

Vật liệu

Chiều dày (cm) Phương án kết cấu (sử dụng các loại bitum khác nhau)

BTNC12.5

PMBIII PMBIII PMBIII 60/70 40/50

40/50

BTNC 19

PMBIII

60/70

40/50

60/70 40/50

60/70

ATB

CPDD1

CPDD2

Nền đất K98

114

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

Phương pháp (ME) đưa ra các yêu cầu cho một kết cấu mặt đường phải thỏa mãn các

tiêu chuẩn giới hạn nhất định trong khai thác tùy theo mức độ tin cậy thiết kế, dạng hư

hỏng và loại vật liệu liên quan. Các tiêu chuẩn giới hạn cho các phương án kết cấu đã

Bảng 4.5: Tiêu chuẩn giới hạn thiết kế kết cấu mặt đường mềm theo (ME)

Tiêu chuẩn

Hệ US

Hệ SI

Độ tin cậy, %

Độ gồ ghề IRI ban đầu

63.00 (in/mile)

1.00 (m/km)

90.00

Độ gồ ghề IRI cuối cùng

172.00 (in/mile)

2.71 (m/km)

90.00

1.00 (in)

25.4 (cm)

90.00

Tổng chiều sâu lún vệt bánh xe toàn kết cấu

Tiêu chuẩn

Hệ US

Hệ SI

Độ tin cậy, %

chọn ứng với độ tin cậy 90% như bảng 4.5 [46].

Tiêu chuẩn

Hệ US

Hệ SI

Độ tin cậy, %

Nứt mỏi từ dưới lên của

25.00 (% diện

90.00

lớp bê tông nhựa

tích làn)

1000 (ft/mile)

189.4 (m/km)

90.00

Nứt nhiệt của lớp bê tông nhựa

2000 (ft/mile)

378.8 (m/km)

90.00

Nứt mỏi từ trên xuống của lớp bê tông nhựa

0.50 (in)

12.5 (cm)

90.00

Chiều sâu lún vệt bánh trong các lớp bê tông nhựa

115

Như vậy, một kết cấu mặt đường đã chọn được cho là đạt yêu cầu, nếu việc phân tích

kết cấu theo (ME) trong giai đoạn khai thác thỏa mãn các yêu cầu trong bảng 4.5.

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

Các bước phân tích ứng xử của các phương án kết cấu thử như sau :

 Khởi động chương trình (ME), cửa sổ mặc định và cửa số chính của chương trình

Hình 4.3: Cửa sổ mặc định của phần mềm (ME) [22]

như các Hình 4.3 và Hình 4.4.

Hình 4.4: Cửa sổ chính của phần mềm (ME) [22]

116

 Tạo dự án cho phương án kết cấu thử. Trong bước này, chọn kiểu mặt đường là

mặt đường mềm làm mới, nhập các tiêu chuẩn giới hạn hiết kế theo bảng 4.5 và

Hình 4.5: Mục tạo dự án của phần mềm (ME) [22]

giao diện của bước tạo dự án (Hình 4.5).

Hình 4.6:Trợ giúp việc nhập dữ liệu bằng màu sắc của phần mềm (ME) [22]

117

 Nhập các thông số đầu vào liên quan tới giao thông, khí hậu, vật liệu, chiều dày

lớp theo yêu cầu của phương phương pháp (ME) với sự trợ giúp bằng các chỉ thị

màu sắc như hình 4.6.

 Chạy chương trình phân tích ứng xử của các phương án kết cấu thử đã chọn.

Sau khi chạy chương trình sẽ xuất ra các kết quả ứng xử của kết cấu mặt đường theo

thời gian. Tổng hợp kết quả phân tích ứng xử của các phương án kết cấu mặt đường (kết

cấu 1 tới kết cấu 6) như các bảng 4.6 tới bảng 4.11 và thể hiện qua các Hình 4.7 tới Hình

Bảng 4.6: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 1)

Độ tin cậy (%)

Hư hỏng @ Độ tin cậy

Tiêu chuẩn

Đánh giá?

Giới hạn Dự báo Giới hạn Đạt được

172

159.68

95.2

Pass

1.17

56.62

Fail

Độ gồ ghề IRI cuối cùng IRI (in/mile) Tổng chiều sâu lún vệt bánh xe toàn kết cấu (in)

2.14

100

Pass

Nứt mỏi từ dưới lên của lớp bê tông nhựa (% diện tích)

4.10.

Độ tin cậy (%)

Hư hỏng @ Độ tin cậy

Tiêu chuẩn

Đánh giá?

Giới hạn Dự báo Giới hạn Đạt được

1000

84.34

100

Pass

2000

419.1

100

Pass

0.5

0.62

63.15

Fail

Nứt nhiệt của lớp bê tông nhựa (ft/mile) Nứt mỏi từ trên xuống của lớp bê tông nhựa (ft/mile) Chiều sâu lún vệt bánh trong các lớp bê tông nhựa (in)

Bảng 4.7: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 2)

Độ tin cậy (%)

Hư hỏng @ Độ tin cậy

Tiêu chuẩn

Đánh giá?

Giới hạn Dự báo Giới hạn Đạt được

172

162

94.39

Pass

1.23

45.37

Fail

2.19

100

Pass

1000

84.34

100

Pass

2000

427.64

100

Pass

0.5

0.67

50.81

Fail

Độ gồ ghề IRI cuối cùng IRI (in/mile) Tổng chiều sâu lún vệt bánh xe toàn kết cấu (in) Nứt mỏi từ dưới lên của lớp bê tông nhựa (% diện tích) Nứt nhiệt của lớp bê tông nhựa (ft/mile) Nứt mỏi từ trên xuống của lớp bê tông nhựa (ft/mile) Chiều sâu lún vệt bánh trong các lớp bê tông nhựa (in)

Bảng 4.8: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 3)

Độ tin cậy (%)

Hư hỏng @ Độ tin cậy

Đánh giá?

Tiêu chuẩn

Giới hạn Dự báo Giới hạn Đạt được

172

161.13

94.7

Pass

1.21

49.5

Fail

2.17

100

Pass

1000

84.34

100

Pass

Độ gồ ghề IRI cuối cùng IRI (in/mile) Tổng chiều sâu lún vệt bánh xe toàn kết cấu (in) Nứt mỏi từ dưới lên của lớp bê tông nhựa (% diện tích) Nứt nhiệt của lớp bê tông nhựa (ft/mile)

118

Độ tin cậy (%)

Hư hỏng @ Độ tin cậy

Đánh giá?

Tiêu chuẩn

Giới hạn Dự báo Giới hạn Đạt được

2000

426.7

100

Pass

0.5

0.65

55.53

Fail

Nứt mỏi từ trên xuống của lớp bê tông nhựa (ft/mile) Chiều sâu lún vệt bánh trong các lớp bê tông nhựa (in)

Bảng 4.9: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 4)

Hư hỏng @ Độ tin cậy

Độ tin cậy (%)

Đánh giá?

Tiêu chuẩn

Giới hạn

Dự báo Giới hạn Đạt được

172

161.31

94.64

Pass

1.21

48.52

Fail

2.13

100

Pass

1000

84.34

100

Pass

2000

518.62

100

Pass

0.5

0.66

53.19

Fail

Bảng 4.10: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 5)

Độ tin cậy (%)

Hư hỏng @ Độ tin cậy

Tiêu chuẩn

Đánh giá?

Giới hạn Dự báo Giới hạn Đạt được

172

161.99

94.39

Pass

1.23

45.37

Fail

2.15

100

Pass

1000

84.34

100

Pass

2000

550.84

100

Pass

0.5

0.68

50.4

Fail

119

Bảng 4.11: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 6)

Độ tin cậy (%)

Hư hỏng @ Độ tin cậy

Tiêu chuẩn

Đánh giá?

Giới hạn Dự báo Giới hạn Đạt được

172

162.92

94.05

Pass

1.25

41.21

Fail

2.17

100

Pass

1000

84.34

100

Pass

2000

552.51

100

Pass

0.5

0.7

45.79

Fail

8 1

2 1

8 0

7 0

8 9

8 7

3 7

0 7

8 6

2 6

120

4 5

.

2

8 2

5 2

3 2

1 2

7 1

7 5

6 5

5 5

4 5

2 5

0 0

9 9

8 9

7 9

Giới hạn(cm)

0.0833 2.54

1 2.54

5 2.54

10 2.54

15 2.54

Kết cấu 1

0.97

1.52

2.17

2.62

2.98

Kết cấu 2

0.99

1.56

2.25

2.73

3.12

Kết cấu 3

0.98

1.54

2.21

2.68

3.07

Kết cấu 4

0.98

1.55

2.23

2.70

3.08

Kết cấu 5

0.99

1.55

2.25

2.73

3.12

Kết cấu 6

1.00

1.57

2.28

2.78

3.18

Hình 4.7: Biểu đồ hằn lún vệt bánh xe theo thời gian

0 9

0 0

0 3

0 1

0 7

121

2 7 1

0 6

0 9

0 8

0 3

0 1

0 9

2 6 1

1 6 1

9 5 1

0 5

0 9

0 8

0 5

0 3

0 5

6 4 1

5 4 1

3 4 1

0 8

0 5

0 4

0 3

0 1

0 8

0 3 1

9 2 1

8 2 1

0 6

0 5

0 4

0 3

0 1

3 1 1

2 1 1

2 0 1

Giới hạn(In/mile)

0.0833 172

1 172

5 172

10 172

15 172

Kết cấu 1

102.1

112.8

128.5

143.9

159.7

Kết cấu 2

102.5

113.5

129.9

145.9

162

Kết cấu 3

102.3

113.1

129.3

145.1

161.1

Kết cấu 4

102.4

113.3

129.5

145.3

161.3

Kết cấu 5

102.4

113.4

129.8

145.8

162

Kết cấu 6

102.6

113.8

130.5

146.6

162.9

Hình 4.8: Biểu đồ chỉ số độ gồ ghề theo thời gian

5 2

9 1

7 1

5 1

4 1

3 1

8 8

7 8

6 8

5 8

4 6

3 6

4 6

3 6

8 4

5 4

Năm

Giới hạn(% diện tích làn xe)

0.0833 25

5 25

10 25

15 25

1 25

Kết cấu 1

1.451

1.628

1.854

2.145

1.480

Kết cấu 2

1.451

1.639

1.880

2.191

1.482

Kết cấu 3

1.451

1.634

1.870

2.174

1.481

Kết cấu 4

1.451

1.626

1.846

2.128

1.480

Kết cấu 5

1.451

1.631

1.859

2.153

1.481

Kết cấu 6

2.169

1.451

1.635

1.869

1.482 Hình 4.9: Biểu đồ nứt phân bố (đáy-đỉnh) theo thời gian

122

0 0 0 1

4 3

4 8

Năm

Giới hạn(ft/mile)

0.0833 1000

1 1000

5 1000

10 1000

15 1000

Kết cấu 1

84.340

Kết cấu 2

84.340

Kết cấu 3

84.340

Kết cấu 4

84.340

Kết cấu 5

84.340

Kết cấu 6

84.340

Hình 4.10: Biểu đồ nứt nhiệt theo thời gian

Qua các bảng 4.6 - bảng 4.11 và các Hình 4.7 tới Hình 4.10 của mục 4.2.2.2 cho thấy

ứng xử của các kết cấu thử đã chọn cơ bản thỏa mãn các yêu cầu theo (ME), ngoại trừ

chỉ tiêu hằn lún vệt bánh xe. Do vậy, cần thay đổi chiều dày một số lớp BTN trong một

số phương án để đảm bảo đạt tất cả các chỉ tiêu theo phương pháp cơ học thực nghiệm.

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

Từ bảng 4.4 và các hình 4.7 – hình 4.10 cho thấy kết cấu 1 sử dụng bitum PMBIII cho

BTNC 12.5 và BTNC 19 có ứng xử kháng hằn lún tốt nhất (2.98cm sau 15 năm), sau đó

tới kết cấu 3 sử dụng bitum PMBIII cho BTNC 12.5 và bitum độ quánh cao 40/50 cho

BTNC 19 (3.07cm sau 15 năm). Do vậy, chọn kết cấu 1 và kết cấu 3 để điều chỉnh chiều

dày của các lớp BTN và lớp móng gia cố bitum rồi phân tích lại các phương án kết cấu

theo (ME). Các thông tin về kết cấu điều chỉnh như bảng 4.12.

Bảng 4.12: Phương án kết cấu điều chỉnh

Loại bitum sử dụng cho các lớp

Ghi chú

BTNC

Vật liệu

Chiều dày (cm)

Kết cấu 1(ĐC)

Kết cấu 3(ĐC)

Bitum PMBIII

BTNC12.5

Bitum PMBIII

Bitum 40/50

BTNC 19

Giá trị trong ngoặc (16cm) là chiều dày lớp

15(16)

Bitum 60/70

ATB

CPDD1

ATB của kết cấu 3 điều chỉnh

CPDD2

Nền đất K98

30cm

123

Kết quả phân tích ứng xử của các kết cấu sau khi đã điều theo phương pháp (ME) cho

thấy các kết cấu mặt đường sau khi điều chỉnh thỏa mãn các chỉ tiêu theo phương pháp

(ME). Tổng hợp kết quả phân tích ứng xử của các kết cấu điều chỉnh như các bảng 4.13

Bảng 4.13: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 1 điều chỉnh)

Độ tin cậy (%)

Hư hỏng @ Độ tin cậy

Tiêu chuẩn

Đánh giá?

Giới hạn Dự báo Giới hạn Đạt được

172

149.13

97.9

Pass

0.94

95.72

Pass

1.56

100

Pass

1000

84.34

100

Pass

2000

263.98

100

Pass

0.5

90.02

Pass

– bảng 4.14 và thể hiện qua các hình (Hình 4.11 – Hình 4.14).

Bảng 4.14: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 3 điều chỉnh)

Độ tin cậy (%)

Hư hỏng @ Độ tin cậy

Tiêu chuẩn

Đánh giá?

Giới hạn Dự báo Giới hạn

Đạt được

172

148.35

98.04

Pass

0.92

96.87

Pass

1.54

100

Pass

1000

84.34

100

Pass

2000

261.71

100

Pass

0.5

0.49

91.78

Pass

4 5

3 9 3

0 5 3

2 7 1

1 0 1

9 4 1

2 6 0

8 4 1

4 3 1

3 3 1

0 4 7

0 2 1

9 1 1

7 0 7

7 0 1

6 0 1

8 9

2 1 2

9 8 1

7 7 7

2 6 7

0.083

172

Giới hạn TK(in/mile)

Giới hạn TK(cm)

0.083 2.54

1 2.54

5 2.54

10 2.54

15 2.54

Kết cấu 1(ĐC)

98.4

107.0 120.6 134.5 149.1

Kết cấu 1(ĐC)

0.777

1.212

1.740

2.101

2.393

Kết cấu 3 (ĐC)

98.2

106.6 119.9 133.8 148.4

Kết cấu 3(ĐC)

0.762

1.189

1.707

2.062

2.350

Hình 4.12: Biểu đồ độ gồ ghề IRI theo thời gian

Hình 4.11: Biểu đồ hằn lún vệt bánh xe theo thời gian

124

5 2

0 0 0 1

0 4 3

6 5 5

1 4 5

3 1 5

4 0 5

7 7 4

3 7 4

4 5 4

3 5 4

9 4 4

4 8

0.083

1000

Giới hạn TK(% diện tích làn xe)

Giới hạn TK(ft/mile)

Kết cấu 1(ĐC)

1.449

1.454

1.477

1.513

1.556

Kết cấu 1(ĐC) 84.340 84.340 84.340 84.340 84.340

Kết cấu 3(ĐC)

1.449

1.453

1.473

1.504

1.541

Kết cấu 3(ĐC) 84.340 84.340 84.340 84.340 84.340

Hình 4.13: Biểu đồ nứt phân bố theo thời gian

Hình 4.14: Biểu đồ nứt nhiệt theo thời gian

125

Nhận xét :

- BTN sử dụng bitum cải tiến PMBIII và bitum có độ quánh cao có khả năng giảm

hằn lún vệt bánh xe trong khai thác.

- Phương pháp cơ học thực nghiệm có ưu điểm có thể dự báo được các dạng hư hỏng

mặt đường xảy ra trong quá trình khai thác. Ảnh hưởng của nứt nhiệt tới mặt đường

BTNC ở Việt Nam không đáng kể do không có sự chênh lệch nhiều về nhiệt độ

trong quá trình khai thác.

- Trong số các dạng hư hỏng xảy ra trong thực tế thì dạng hư hỏng (hằn lún vệt bánh

xe) xảy ra sớm nhất, và đây cũng là chỉ tiêu khó đạt yêu cầu nhất theo phân tích kết

cấu mặt đường theo (ME). Do vậy trong thiết kế kết cấu mặt đường cần quan tâm

tới việc lựa chọn giải pháp kết cấu cũng như sử dụng loại bitum phù hợp để đảm

bảo chỉ tiêu này

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

Việc phân tích độ nhạy của các thông số đầu vào của kết cấu mặt đường nhằm xác định

thông số nào có ảnh hưởng nhiều nhất tới ứng xử của kết cấu trong quá trình khai thác,

từ đó sẽ có các quy trình quản kiểm soát chất lượng phù hợp để nâng cao chất lượng

công trình đường bộ.

Trong phạm vi luận án, chỉ tiến hành phân tích độ nhạy đối với lượng giao thông thiết

kế, đây cũng là thông số được đánh giá là có ảnh hưởng rất lớn tới đặc trưng khai thác

của kết cấu mặt đường mềm [26]. Việc phân tích độ nhạy của kết cấu mặt đường được

thực hiện bằng việc thay đổi lượng giao thông thiết kế trung bình cả hai chiều của năm

126

đầu tiên đưa đường vào sử dụng (“AADT” - Average annual daily traffic) cho các kiểu

kết cấu mặt đường điển hình gồm kết cấu 1, kết cấu 2, kết cấu 3, kết cấu 4 và kết cấu 6

với năm bước thay đổi lượng giao thông. Lượng giao thông nhỏ nhất, lớn nhất và các

bước thay đổi về lượng giao thông cho các kết cấu khác nhau sử dụng để phân tích độ

Bảng 4.15: Các biến độ nhạy của các phương án kết cấu

Kết cấu

Tên biến

Nhỏ nhất

Lớn nhất

Số bước thay đổi

KC1, KC2

Two-way AADTT

2000

3000

KC3

Two-way AADTT

2000

2500

KC4

Two-way AADTT

1800

2300

KC6

Two-way AADTT

1700

2200

nhạy của các kết cấu đã chọn được tổng hợp trong các bảng 4.15.

2.8

2.7

Kết quả phân tích độ nhạy của các kết cấu được thể hiện trong các Hình 4.15 tới Hình 4.18.

)

2.6

2.5

2.4

2.3

2.2

m c ( h n á b t ệ v n ú L

1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

Lượng giao thông thiết kế

Lún vệt bánh KC2 Lún vệt bánh KC6

Lún vệt bánh KC1 Giới hạn TK(cm) Lún vệt bánh KC4 Lún vệt bánh KC3 Hình 4.15: Độ nhạy tổng biến dạng vĩnh cửu theo AADT (kết cấu 6)

200

150

) e l i

/

m n

100

i ( I R I

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

0 1700

Lượng giao thông thiết kế

Giới hạn TK(in/mile) IRI KC3

IRI KC1 IRI KC4

IRI KC2 IRI KC6

Hình 4.16: Độ nhạy của IRI theo AADT (kết cấu 6)

127

n à l

h c í t n ệ i D %

) e x

(

0 1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

Lượng giao thông thiết kế

ố b n â h p t ứ N

Giới hại TK(% làn xe) Nứt phân bố KC3

Nứt phân bố KC2 Nứt phân bố KC6

Nứt phân bố KC1 Nứt phân bố KC4 Hình 4.17: Độ nhạy của nứt phân bố theo AADT (kết cấu 6)

1200

1000

) e l i

m

800

600

/ t f ( t ệ i

400

200

h n t ứ N

0 1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

Lượng giao thông thiết kế

Giới hại TK(ft/mile) Nứt nhiệt KC3

Nứt nhiệt KC1 Nứt nhiệt KC4

Nứt nhiệt KC2 Nứt nhiệt KC6

Hình 4.18: Độ nhạy nứt nhiệt theo AADT (kết cấu 6)

Nhận xét

Từ các hình 4.15 – hình 4.18 cho thấy Lượng giao thông thiết kế có ảnh hưởng nhiều

nhất tới dạng hư hỏng hằn lún vệt bánh xe, sau đó là độ gồ ghề quốc tế (IRI) và cuối

cùng là nứt phân bố và nứt nhiệt.

128

4.3. Kết luận chương 4

Giá trị mô đun động (|E*|) có ảnh hưởng tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt

đường, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của |E*| tới các đặc trưng khai thác không giống

nhau, cụ thể :

 Giá trị |E*| có ảnh hưởng rõ nét nhất tới dạng hư hỏng hằn lún vệt bánh, sau đó

là chỉ số độ gồ ghề quốc tế, nứt từ dưới lên và cuối cùng là nứt nhiệt. Ảnh hưởng

của |E*| tới các dạng hư hỏng này càng rõ nét hơn khi thời gian khai thác của kết

cấu áo đường tăng lên hoặc trong các ngày nắng nóng có nhiệt độ cao. Điều này

phù hợp với thực tế rằng theo thời gian vật liệu BTN bị già hóa làm giảm tính

đàn hồi của bê tông nhựa do đó gây ra biến dạng không phục hồi tăng lên và trong

các ngày thời tiết nắng nóng nhiệt độ cao làm giảm giá trị của |E*| do đó khả năng

kháng hằn lún của BTN giảm đi rõ rệt.

 Trong điều kiện khí hậu của Việt Nam, ảnh hưởng |E*| tới dạng nứt nhiệt không

đáng kể, do không có sự thay đổi nhiều về nhiệt độ môi trường trong quá trình

khai thác.

 Kết cấu mặt đường có BTNC sử dụng bitum PMBIII (kết cấu 1) hay (kết cấu 3)

có sự kết hợp của lớp BTNC 12.5 (bitum PMBIII) với BTNC 19 sử dụng bitum

có độ quánh cao (40/50) có giá trị |E*| lớn hơn nên có khả năng kháng hằn lún

tốt hơn, và chỉ số độ gồ ghề quốc tế (IRI) nhỏ hơn các kết cấu còn lại (Hình 4.8

và Hình 4.9).

 Trong số các đặc trưng khai thác của mặt đường mềm thì dạng hư hỏng hằn lún

vệt bánh xe xảy ra sớm nhất và đây cũng là chỉ tiêu khó đạt nhất.

 Phương pháp cơ học thực nghiệm có khả năng áp dụng để phân tích kết cấu áo

đường ở Việt Nam với tính khả thi cao. Ngoài việc phân tích kết cấu áo đường

để dự báo ứng xử của kết cấu mặt đường, phương pháp (ME) còn có khả năng

phân tích độ nhạy của các thông số đầu vào để đánh giá ảnh hưởng của các thông

số này tới ứng xử của kết cấu để xác định xem thông số nào có ảnh hưởng nhiều

nhất tới ứng xử của các dạng hư hỏng liên quan, từ đó có giải pháp kiểm soát chất

lượng phù hợp.

129

 So với các phương pháp thiết kế hiện nay [9], [16]. Phương pháp (ME) có ưu

điểm là đưa ra các tiêu chí về dự báo các dạng hư hỏng của mặt đường xảy ra

trong thực tế (hằn lút vệt bánh, nứt phân bố …), trong khi các tiêu chuẩn của Việt

Nam hiện tại không đề cập vấn đề này.

 Lượng giao thông có độ nhạy lớn liên quan tới dạng hư hỏng hằn lún vệt bánh,

do vậy, với các công trình có lưu lượng xe lớn, cần có giải pháp thiết kế (kết cấu

mặt đường và hỗn hợp BTN) phù hợp, đồng thời cần kiểm soát tốt quá trình thi

công.

130

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Khoa học công nghệ thay đổi hàng ngày, những công nghệ mới dần thay thế những công

nghệ cũ để tạo ra những sản phẩm tốt hơn, những công trình bền vững hơn. Nghiên cứu

để phát triển, nghiên cứu để nâng cao trình độ và nghiên cứu để áp dụng trong thực tế.

Luận án đã hoàn thành được mục tiêu đề ra, đã chứng minh được có thể sử dụng các

phương pháp tiên tiến trên thế giới áp dụng trong điều kiện Việt Nam nhằm từng bước

tiếp cận công nghệ hiện đại góp phần nâng cao chất lượng xây dựng và khai thác hệ

thống đường bộ ở Việt Nam. Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thí

nghiệm trong phòng với số mẫu thử hợp lý, được mô hình hóa và phân tích thống kê

bằng các phần mềm cập nhật, luận án có những đóng góp mới sau:

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. Xác định được

các thông số của mô hình 2S2P1D để 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

tính chất của vật liệu bitum (|G*|, η, góc pha) với mô đun động của BTNC (|E*|) theo

các mô hình dự báo của Hoa Kỳ đảm bảo các mô hình dự báo này có độ chính xác cao

theo điều kiện vật liệu địa phương của Việt Nam theo các phương trình 3.4 tới phương

trình 3.6. Trong đó, phương trình 3.5 là phương trình dự báo |E*| theo mô hình Witczak

cải tiến, sau khi hiệu chỉnh các hệ số có khả năng dự báo |E*| với độ chính xác cao nhất

trong ba mô hình nghiên cứu với các thông số thống kê (hệ số xác định R2 =0.943, tỷ số

Se/Sy =0.24).

1.4 Luận án đã xác định được tính chất của vật liệu bitum có ảnh hưởng nhiều nhất

131

tới mô đun động của BTN bằng việc sử dụng kỹ thuật phân tích độ nhạy tổng thể với

việc áp dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Luận án cũng đã xác định được giá

trị mô đun động của BTNC |E*| có ảnh hưởng tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt

đường mềm thông qua phân tích kết cấu mặt đường theo phương pháp (ME) với các

điều kiện vật liệu, khí hậu và giao thông của Việt Nam.

2. Những đóng góp về mặt thực tiễn

 Phương trình tương quan thực nghiệm giữa tính chất vật của liệu bitum và mô

đun động của BTNC theo điều kiện Việt Nam (phương trình 3.4 – 3.6) sẽ giúp

việc 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 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 kiểm định

và hiệu chỉnh lại theo điều kiện cụ thể ở Việt Nam do hạn chế về thời gian và kinh phí.

132

4. 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 Việt Nam, vì mô hình này có kết quả ở dự chính báo |E*| với độ

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 dữ Việt Nam thì cần cập nhật thêm vào cơ sở ở 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

các lớp vật liệu phù hợp, chiều dày 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).

5. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung nghiên cứu những nội dung sau:

5.1. Tiếp tục nghiên cứu về mối quan hệ giữa tính chất vật liệu bitum (PMBI, PMBII)

và bitum có sử dụng các phụ gia khác nhau với mô đun động của BTNC để tiếp tục hoàn

thiện phương trình tương quan thực nghiệm |E*| - |G*| của các loại bitum khác nhau.

5.2. Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của BTNC sử dụng

các cấp phối khác nhau và thiết lập các phương trình tương quan thực nghiệm |E*| - |G*|.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

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.

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] BKHCN, TCVN 7493: 2005 Bitum Yêu cầu kỹ thuật.

[2] BKHCN, TCVN 8819-2011 (2011). Mặt đường bê tông nhựa nóng - yêu cầu thi

công và nghiệm thu.

[3] BKHCN, TCVN 8820-2011 (2011). Hỗn hợp bê tông nhựa nóng – Thiết kế theo

phương pháp Marshall.

[4] BKHCN, TCVN 8865: 2011 (2011). Mặt đường ô tô – Phương pháp đo và đánh

giá độ bằng phẳng theo chỉ số độ gồ ghề quốc tế IRI.

[5] BGTVT, Công văn 9137/BGTVT –KHCN ngày 15/7/2015 về việc lựa chọn loại

nhựa đường phù hợp với điều kiện khai thác và sử dụng của các đoạn tuyến.

6] BGTVT, Chỉ thị số 13/CT-BGTVT, ngày 8/8/2013 về việc tăng cường công tác

quản lý chất lượng nhựa đường sử dụng trong xây dựng công trình giao thông.

[7] BGTVT, Quyết định 858/QĐ-BGTVT, ngày 26/3/2014. Về việc ban hành

Hướng dẫn áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành nhằm tăng cường quản lý

chất lượng thiết kế và thi công mặt đường bê tông nhựa nóng đối với các tuyến đường

ô tô có quy mô giao thông lớn.

[8] BGTVT, Thông tư số 27/2014/TT – BGTVT, 28/7/2014.

[9] BGTVT, 22TCN 211-06: Áo đường mềm –Các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế.

[10] BGTVT, Tiêu chuẩn ngành 22TCN 274-01 (2001). Chỉ dẫn thiết kế mặt đường

mềm.

[11] BGTVT, Tiêu chuẩn ngành 22TCN 319-04 (2004), Tiêu chuẩn vật liêu nhựa

đường polyme (Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thí nghiệm).

[12] BGTVT, Tiêu chuẩn ngành 22TCN 279-01: Yêu cầu kỹ thuật và các phương

pháp thí nghiệm tiêu chuẩn vật liệu nhựa đường đặc.

[13] Vũ Đức Chính (2015), Đề tài cấp bộ năm 2015 “Nghiên cứu phân loại nhựa

đường theo Supperpave (nhựa đường PG) và đề suất áp dụng trong xây dựng đường bộ

Việt Nam”, Mã Số đề tài: DT 154015”.

[14] Lưu Ngọc Lâm và cs (2016). Một số kết quả nghiên cứu bước đầu đánh giá chất

lượng nhựa đường tại Việt Nam theo tiêu chuẩn phân cấp nhựa đường PG (Superpave).

[15] Nguyễn Mai Lân, Nguyễn Quang Tuấn, Hoàng Thị Thanh Nhàn, (2015), “Nghiên

cứu mô đun phức động của nhựa đường 60/70 sử dụng tại Việt Nam bằng thí nghiệm

trên máy DMA”, Tạp chí Khoa học-công nghệ 10/2015.

[16] Nguyễn Hoàng Long và cs (2017). Đề tài cấp bộ năm 2017. Nghiên cứu các điều

kiện cần thiết để áp dụng phương pháp cơ học thực nghiệm (MEPD) Trong phân tích

kết cấu mặt đường ở Việt Nam- Mã số đề tài (DT174055).

[17] PGS.TS Trần Thị Kim Đăng, ThS. Trần Danh Hợi (2017). Nghiên cứu mô đun

động của hỗ hợp đá-nhựa chặt sử dụng làm lớp móng của kết cấu áo đường mềm.

Tiếng Anh

[18] Ahmad M Abu Abdo (2012). Sensitive Analysis of a New Dynamic Modulus

(|E*|) Model for Asphalt Mixtures, Department of Civil and Environmental

Engineering, Dhofar University, Salalah, Oman.

[19] Ainalem Nega, Behzad Ghadimi, and Hamid Nikraz (2015). Developing Master

Curves, Binder Viscosity and Predicting Dynamic Modulus of Polymer-Modified

Asphalt Mixtures.

[20] A.F. Nikolaides. (2015), Bituminous Mixtures & Pavements VI, CRC Press.

Taylor & Francis Group.

[21] Asphalt Handbook, 7th Edition-USA (2007). Asphalt Institute Manual Series

No.4(MS-4).

[22] Bill Schiebel, Michael Stanford, Eric Prieve, et al (2018), M-E Pavement Design

Manual, Colorado Department of Transportation.

[23] Bill Schiebel, Michael Stanford, Eric Prieve, et al (2016), M-E Pavement Design

Manual, Colorado Department of Transportation.

[24] Botella, Ramón, Pérez-Jiménez, Félix, Miró, Rodrigo, Martínez, Adriana, Paez-

Dueñas, Antonio, Barceló-Martínez, Francisco José, (2015). Effect of Aging in the

Fatigue Behavior of Asphalt Binder, Mastic and Mixture. TRB 2015 Annual Meeting.

[25] British Standard BS EN 12591: 2009. Paving grade bitumen specification.

[26] Charles W. Schwartz, Rui Li, Sung Hwan Kim, Halil Ceylan (2011). Project 1-

47 - Sensitivity Evaluation of MEPDG Performance Prediction, Final Report.

[27] CRT-UTM-NU User Manual (2009). Servo-Pneumatic Universal Testing

Machine User Manual.

[28] Dharamveer Singh, A.M. ASCE, Musharraf Zaman, F. ASCE and Sesh Commuri

(2013), “Artificial Neural Network Modeling for Dynamic Modulus of Hot Mix Asphalt

Using Aggregate Shape Properties”. Journal of Materials in Civil Engineering, DOI:

10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000548.

[29] Dharamveer Singh, Musharraf Zaman & Sesh Commuri (2012), “Inclusion of

aggregate angularity, texture, and form in estimating dynamic modulus of asphalt

mixes”, Road Materials and Pavement Design.

[30] Farag Khodary Moalla Hamed (2010). Evaluation of Fatigue Resistance for

Modified Asphalt Concrete Mixtures Based on Dissipated Energy Concept.

[31] Gabriel Garcia and Marshall Thompson (2007), HMA Dynamic Modulus

Predictive Models – A Review, Report No. FHWA-ICT-07-005.

[32] Guide for Mechanistic- Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement

Structure (2004), final Report, Part 2. Design Inputs, Chapter 2. Material

Characterization.

[33] Halil Ceylan, Sunghwan Kim, Orhan Kaya, and Kasthurirangan Gopalakrishnan

(2015). Investigation of AASHTOWare Pavement ME Design/DARWin-ME

Performance Prediction Models for Iowa Pavement Analysis and Design. Report

No.InTrans Project 14-496.

[34] H.L. Robinson (2004), RAPRA REVIEW REPORTS, Polymers in Asphalt.

[35] Huanan Yu, Shihui Shen (2012). Impact of aggregate packing on dynamic

modulus of hot mix asphalt mixtures using three-dimensional discrete element method.

[36] Jagannath Mallela, Leslie Titus-Glover, Suri Sadasivam, Biplab, Bhattacharya,

Michael Darter, and Harold Von Quintus (2013). Implementation of The AASHTO

Mechanistic – Empirical Pavement Design Guide for Colorado, Report No. CDOT-

2013-4.

[37] Javed Bari and Matthew W. Witczak (2005). Evaluation of the Effect of Lime

Modiﬁcation on the Dynamic Modulus Stiffness of Hot-Mix Asphalt, Use with the New

Mechanistic–Empirical Pavement Design Guide.

[38] Javed Bari and Matthew W. Witczak (2007), “New Predictive Models for

Viscosity and Complex Shear Modulus of Asphatl Binders for use with Mechanistic –

Empirical Pavement Design Guide”.

[39] Javed Bari (2005), Development of a new revised version of the Witczak E*

Predictive Models for Hot Mix Asphalt Mixture.

[40] Mary Marjorie Robbins (2009), An Investigation into Dynamic Modulus of Hot-

Mix Asphalt and Its contributing factors.

[41] Michael I. Darter, Leslie Titus Glover, Harold Von Quintus, Biplab

B.Bhattacharya, and Jagannath Mallela (2014). Calibration and Implementation of the

AASHTO Mechanistic Empirical Pavement Design Guide in Arizona.

[42] Maysoun Ayad Hameed (2015). Evaluating Global Sensitivity Analysis Methods

for hydrologic Modeling over the Columbia River Basin, Portland State University.

[43] Md. Yusoff, N. I., Monieur, D., Airey, G. D (2010), The 2S2P1D: “An Excellent

Linear Viscoelastic Model”, UNIMAS e-Journal of Civil Engineering, Vol. 1 (2).

[44] Mechanistic– Empirical Pavement Design Guide (2015). A manual of Practice.

[45] Mechanistic– Empirical Pavement Design Guide (2008), A Manual of Practice.

[46] Mechanistic-Empirical Pavement Design Software (2016). Help Version 3.0.2.

[47] M.F.Woldekidan (2011), Response Modelling of Bitumen, Bituminous Mastic

and Mortar, Wohrmann Print Service, Zutphen (The Netherlands).

[48] Nam Tran et al. (2017). Pavement ME Design – Impact of Local Calibration,

Foundation Support, And Design and Reliability Thresholds, NCAT Report 17-08.

[49] Neil J. Pedersen, Sandra Rosenbloom, Robert E. Skinner, et al (20111), NCHRP

Report 704 - A Performance-Related Specification for Hot-Mixed Asphalt.

Transportation Research Board of National ACADEMIES.

[50] Nick Thom (2014), Principles of Pavement Engineering, 2nd Edition, Institution

of Civil Engineers Publishing. University of Nottingham, UK.

[51] NCHRP Report 547 (2005). Simple Performance Tests: Summary of

Recommended Methods and Database. Transportation Research Board of the National

Academies.

[52] Nur Izzi Md. Yusoff (2012), Modelling the Linear Viscoelastic Rheological

Properties of Bituminous Binders, The University of Nottingham.

[53] Owinizi A.S and Abdullahi L (2017). Review of AASHTO - Mechanistic

Empirical Pavement Design Guide, Challenges and Prospects for Pavement

Development in Nigeria.

[54] Dr. Pan Lu, Andrew Bratlien, Dr. Denver Tolliver (2014). Understanding

Mechanistic- Empirical Paveminent Design Guide (MEPDG) for North Dakota

Implementation.

[55] Ranjit K. Roy (2010), A primer on the Taguchi Method, second edition.

[56] Rajib B. Mallick and Tahar El-Korchi (2013), Pavement Engineering – Principle

and Practice, Second edition.

[57] Dr. Robert N. Hunter et al. (2015), Shell bitumen handbook, Six Edition, ICE

Publishing, One Great George Street, Westminster, London SW1P 3AA.

[58] R.B.McGenis et al. (1995). Background of Superpave Asphalt Mixture Design

and analysis, Report No. FHWA-SA-95-003.

[59] Rui Li (2013). Sensitivity Evaluation of Mechanical-Empirical Pavement

Design Guide (MEPDG) for Flexible Pavement Performance Prediction, University of

Maryland, College Park in partial fulfilment of the requirements for the degree of

Doctor of Philosophy.

[60] Dr R.Chris Williams and R.Shaidur (2013). Mechanistic- Empirical Pavement

Design Guide Calibration for Pavement Rehabilitation, Report No. FHWA-OR-RD-

13-10.

[61] Saeed Yousefdoost et al (2013). Evaluation of Dynamic Modulus

Predictive Models for Typical Australian Asphalt Mixes, 15th AAPA International

Flexible Pavement Conference.

[62] Sangyum Lee, Youngguk Seo, and Y. Richard Kim (2010). Effect of Hydrated

Lime on Dynamic Modulus of Asphalt-Aggregate Mixtures in the State of North

Carolina. KSCE Journal of Civil Engineering, DOI 10.1007/s12205-010-0944-4.

[63] Shin-Che Huang and Herve’ Di Benedetto (2015), Advances in Asphalt

Materials Road and Pavement Construction, Woodhead Publishing is an imprint of

Elsevier, 80 High Street, Sawston, Cambridge, CB22 3HJ, UK; 225 Wyman Street,

Waltham, MA 02451, USA; Langford Lane, Kidlington, OX5 1GB, UK.

[64] Servo-Pneumatic Universal Testing Machine CRT-UTM –NU.

[65] Shihui Shen, Huanan Yu (2012), An Investigation Of Dynamic Modulus And

Flow Number Properties Of Asphalt Mixtures In Washington State.

[66] Standard Method of Test for Determining Dynamic Modulus and flow number

for asphalt Mixture Using the Asphalt Mixture Performance Tester (AMPT). AASHTO

TP-79(13).

[67] Standard Method of Test for Determining Dynamic Modulus of Hot Mix Asphalt

(HMA), (2013). AASHTO T 342-11.

[68] Standard Method of Test for Determining Dynamic Modulus of Hot Mix Asphalt

(HMA), (2009). AASHTO TP 62-07.

[69] Standard Specification for Hot-Mixed, Hot-Laid Bituminous Paving Mixtures

(2001). ASTM D3515 -01.

[70] Standard Specification for Performance-Graded Asphalt Binder (2013).

AASHTO Designation: M 320-10 (2013).

[71] Standard Specification for Superpave Volumetric Mix Design (2013). AASHTO

Designation: M 323-13 (2013).

[72] Standard Method of Test for Determining the Rheological Properties of Asphalt

Binder Using a Dynamic Shear Rheometer (DSR), (2013). AASHTO T 315-12 (2013).

[73] Standard Test Method for Dynamic Modulus of Asphalt Mixtures (2003). ASTM

D3497 – 79(Reapproved 2003).

[74] Standard Specification for Classification of Soil and Soil-Aggregate Mixtures for

Highway Construction Purposes (2012). AASHTO Designation: M 145-91.

[75] SUMESH KC (2007). Evaluation of Dynamic Modulus Values of OKLAHOMA

Mixes.

[76] Superpave Fundamentals Reference Manual (2000), U.S. Department of

Transportation, Federal Highway Administration.

[77] T.F.Fwa (2006), The Handbook of Engineering Highway, CRC Press, Taylor &

Francis Group 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300 Boca Raton, FL 33487-

2742.

[78] Timothy R. Clyne, Xinjun Li, Mihai O. Marasteanu, Eugene L.Skok (2003),

Dynamic and Resilient Modulus of Mn/DOT Asphalt Mixture, Report No. MN/RC –

2003-09.

[79] Tony McNally (2011), Polymer Modified Bitumen, Properties and

Characterization. Woodhead Publishing Limited.

[80] Yasir Ali, Muhammad Irfan, Sarfraz Ahmed, Shahab Khanzada, Tariq Mahmood

(2015), Investigation of factors affecting dynamic modulus and phase angle of various

asphalt concrete mixtures, Materials and Structures, DOI 10.1617/s11527-015-0544-3.

[81] Yohannes Gebremeskel Kiflat (2013). The Effect of Filler Type and Shape on

HMA Energy Dissipation Performance, Royal Institute of Technology, SE-100 44

Stockholm.

[82] Youngguk Seo, Omar El-Haggan, Mark King, S. Joon Lee, P.E. and Y. Richard

Kim, P.E. (2007). Air Void Models for the Dynamic Modulus, Fatigue Cracking, and

Rutting of Asphalt Concrete.

[83] Y. Richard Kim, B. Under wood, M. Sakhaei Far, N. Jackson, and J. Puccinelli

(2011). LTPP Computed Parameter: Dynamic Modulus.

[84] Yoon-Ho Cho, Dae-Wook Park, Sung-Do Hwang (2009), A predictive equation for

dynamic modulus of asphalt mixtures used in Korea. Elsevier Ltd.