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

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm hiểu rõ tính chất của các vật liệu thành phần của hỗn hợp BTN gồm mô đun cắt động, góc pha, mô đun động của BTN; Hiểu rõ được các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun cắt động của bitumj, góc pha;....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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
i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................. viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................... xiii PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1 1 Đặt vấn đề ............................................................................................................ 1 2 Tính cần thiết của luận án ................................................................................... 2 3 Mục đích nghiên cứu ........................................................................................... 3 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 3 5 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 4 5.1 Nghiên cứu lý thuyết ............................................................................................ 4 5.2 Nghiên cứu thực nghiệm ...................................................................................... 4 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài............................................................. 4 6.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài ................................................................................ 4 6.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................................................. 5 7 Cấu trúc của luận án ........................................................................................... 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT CỦA BITUM ĐẾN MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA............................................................. 7 1.1 Bitum và tính chất của bitum ............................................................................... 7 1.1.1 Bitum 7 1.1.2 Các tính chất của bitum .................................................................................. 8 1.2 Mô đun cắt động (Dynamic shear modulus) của bitum (|G*|)............................ 9 1.2.1 Mô đun cắt động của bitum ................................................................................. 9 1.2.2 Phương pháp xác định mô đun cắt độngcủa bitum ............................................. 9 1.2.2.1 Xác định |G*| bằng thiết bị DSR ..................................................... 9 1.2.2.2 Xác định |G*| bằng thiết bị DMA .................................................. 11 1.2.3 Các nghiên cứu về mô đun cắt động và góc pha của bitum .............................. 14 1.2.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới về mô đun cắt động và góc pha của bitum .... 14 1.2.3.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam về tính chất của bitum ..................................... 16 1.2.4 Các mô hình xây dựng đường cong chủ (Master curve) của mô đun cắt động và góc pha (δb) của bitum ............................................................................................... 17
ii 1.2.5 Phương pháp và nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb) 17 1.3 Bê tông nhựa ...................................................................................................... 18 1.4 Mô đun phức động của bê tông nhựa ................................................................ 19 1.4.1 Mô đun phức của bê tông nhựa .................................................................... 19 1.4.2 Mô đun động của bê tông nhựa .................................................................... 20 1.4.3 Phương pháp xác định mô đun động của bê tông nhựa................................ 20 1.4.4 Xây dựng đường cong Master curve của mô đun động ................................ 21 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động của bê tông nhựa ............................... 22 1.5.1 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu bitum ............................................................ 23 1.5.2 Ảnh hưởng của các yếu tố khác ......................................................................... 24 1.5.2.1 Ảnh hưởng của bột khoáng, vôi thủy hóa, thành phần hạt, hình dạng hạt và độ góc cạnh giá trị độ rỗng dư của hỗn hợp.............................................................. 24 1.5.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số tác dụng của tải trọng tới mô đun động 24 1.6 Mối quan hệ giữa tính chất của bitum với đun động của bê tông nhựa ........... 25 1.6.1 Các nghiên cứu trên thế giới về ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của bê tông nhựa ........................................................................................................ 25 1.6.1.1 Các nghiên cứu của tập đoàn Shell .............................................................. 25 1.6.1.2 Nghiên cứu của viện Asphalt Hoa Kỳ (Asphalt Institute method) ................ 25 1.6.1.3 Các nghiên cứu khác đã thực hiện ở Hoa Kỳ ............................................... 26 1.6.1.4 Phân tích độ nhạy cho mô hình dự báo |E*| của đại học Dhofar (Dhofar University, Salalah, Oman) ........................................................................................ 28 1.6.1.5 Các nghiên cứu ở Úc về ảnh hưởng của tính chất bitum đến mô đun động của bê tông nhựa |E*| ....................................................................................................... 29 1.6.1.6 Nghiên cứu về ảnh hưởng của loại bitum tới mô đun động của bê tông nhựa ở Hàn Quốc ................................................................................................................ 30 1.6.2 Các nghiên cứu đã thực hiện ở Việt Nam về ảnh hưởng của loại bitum tới mô đun phức động của bê tông nhựa ............................................................................... 32 1.7 Ảnh hưởng của mô đun động của bê tông nhựa tới đặc trưng khai thác của mặt đường mềm ................................................................................................................. 33 1.8 Những vấn đề cần giải quyết trong luận án ...................................................... 33
iii 1.8.1 Các vấn đề tồn tại cần giải quyết ................................................................. 33 1.8.2 Phương pháp nghiên cứu để đạt được mục tiêu ........................................... 34 1.8.2.1 Các nghiên cứu lý thuyết liên quan tới mô đun cắt động của bitum và mô đun động của bê tông nhựa .......................................................................... 34 1.8.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm ................................................................ 35 1.8.2.3 Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án để phân tích một số phương án kết cấu mặt đường ở Việt Nam theo phương pháp cơ học thực nghiệm 35 1.8.3 Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 35 1.8.3.1 Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa mô đun cắt độngcủa các loại bitum ở Việt Nam ............................................................................................. 35 1.8.3.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa mô đun cắt động của bitum và mô đun động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam. ................................................................ 36 1.8.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng mô đun động của bê tông nhựa chặt tới đặc trưng khai thác của mặt đường mềm ở Việt Nam ................................................... 36 Kết Luận chương 1 ..................................................................................................... 38 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MÔ HÌNH 2S2P1D ĐỂ XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG CHỦ CỦA MÔ ĐUN CẮT ĐỘNG VÀ GÓC PHA CỦA MỘT SỐ LOẠI BITUM Ở VIỆT NAM .................. 39 2.1. Lựa chọn vật liệu bitum ..................................................................................... 40 2.2. Xác định các chỉ tiêu vật lý của vật liệu bitum .................................................. 41 2.3. Xác định mô đun cắt độngvà góc pha của bitum .............................................. 42 2.3.1 Lựa chọn thiết bị thí nghiệm ......................................................................... 42 2.3.2 Xác định các thông số thí nghiệm................................................................. 43 2.3.2.1 Nhiệt độ thí nghiệm: ...................................................................... 43 2.3.2.2 Tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm ............................ 44 2.3.2.3 Kiểm soát biến dạng trong thí nghiệm. ......................................... 45 2.4. Xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb) của các loại bitum .......... 45 2.4.1 Xác định mô hình để xây dựng các đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb) của các loại bitum ................................................................................................... 45 2.4.1.1 Nhóm các mô hình toán học .......................................................... 45
iv 2.4.1.2 Nhóm các mô hình cơ học ............................................................. 46 Mô hình Huet ................................................................................................ 48 Mô hình Huet-Sayegh ................................................................................... 48 Mô hình 2S2P1D .......................................................................................... 49 2.4.1.3 Lựa chọn mô hình để xây dựng Master curve (đường cong chủ) . 50 2.4.2 Xây dựng đường cong chủ của mô đun cắt động và góc pha cho các loại bitum ở Việt Nam theo mô hình 2S2P1D .......................................................................... 50 2.4.2.1 Xác định các thông số của mô hình 2S2P1D ................................ 50 2.4.2.2 Đánh giá chất lượng của mô hình dự báo ..................................... 51 2.4.2.3 Xây dựng đường cong chủ của mô đun cắt động và góc pha cho các loại bitum ở Việt Nam theo mô hình 2S2P1D ......................................................... 53 2.4.2.4 So sánh các loại bitum với nhau trên cơ sở kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô hình 2S2P1D đã xây dựng ............................................................... 54 2.4.3 Đánh giá mác bitum theo tiêu chuẩn AASHTO M320 ................................. 56 2.5. Xác định các chỉ tiêu của bitum phục vụ việc dự báo mô đun động của bê tông nhựa chặt trong điều kiện Việt Nam. ......................................................................... 57 2.5.1 Các mô hình dự báo mô đun động của BTN của Hoa Kỳ ............................ 57 2.5.1.1 Mô hình Witczak truyền thống (Traditional Witczak E* predictive model) 57 2.5.1.2 Mô hình Witczak cải tiến ............................................................... 58 2.5.1.3 Mô hình Hirsch (Hirsch Model) .................................................... 59 2.5.2 Các thông số của bitum phục vụ việc dự báo mô đun động của BTN .......... 60 2.6. Kết luận chương 2 ............................................................................................. 61 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ THỰC NGHIỆM GIỮA TÍNH CHẤT CỦA BITUM VÀ MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT Ở VIỆT NAM .......................................................................................................... 62 3.1. Lựa chọn vật liệu, cấp phối và thiết kế bê tông nhựa ....................................... 64 3.1.1. Lựa chọn vật liệu bitum ................................................................................ 64 3.1.1.1. Đề xuất các loại bitum sử dụng trong nghiên cứu ....................................... 64 3.1.1.2. Xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bitum .............................................. 64 3.1.2. Lựa chọn cốt liệu và cấp phối thiết kế bê tông nhựa.................................... 64
v 3.1.2.1. Lựa chọn cốt liệu và bột khoáng .................................................................. 64 3.1.2.2. Xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu ........................................................ 65 3.1.2.3. Lựa chọn cấp phối thiết kế hỗn hợp ............................................................. 67 3.1.3. Thiết kế bê tông nhựa ................................................................................... 72 3.2. Thiết kế quy hoạch thí nghiệm ........................................................................... 74 3.2.1. Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp truyền thống và phương pháp Taguchi 74 3.2.1.1. Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp giai thừa. ...................................... 74 3.2.1.2. Thiết kế thí nghiệm theo phương pháp Taguchi ........................................... 75 3.2.2. Áp dụng phương pháp Taguchi để thiết kế thiết kế thí nghiệm .................... 77 3.3. Phân tích độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động của bê tông nhựa 79 3.3.1. Phân tích độ nhạy ......................................................................................... 79 3.3.1.1. Phân tích độ nhạy cục bộ (OAT) .................................................................. 79 3.3.1.2. Phân tích độ nhạy tổng thể (Global sensitive analysis, “GSA”) ................. 80 3.3.1.3. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo .......................................................... 80 3.3.2. Phân tích độ nhạy của các thông số đầu vào ảnh hưởng tới |E*| theo các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ ..................................................................................... 80 3.3.2.1. Mô hình Witczak ban đầu (Original Witczak) .............................................. 81 3.3.2.2. Mô hình Witczak cải tiến (Modified Witczak) .............................................. 81 3.3.2.3. Mô hình Hirsch ............................................................................................. 82 3.3.2.4. Xác định dạng phân bố của các biến đầu vào trong các mô hình dự báo |E*| 82 3.3.2.5. Phân tích độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| bằng phương pháp Mô phỏng Monte Carlo .................................................................................................... 83 3.4. Nghiên cứu thực nghiệm xác định mô động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam 85 3.4.1. Chuẩn bị vật liệu, thiết bị và đúc mẫu phục vụ công tác thí nghiệm mô đun động của các loại bê tông nhựa ................................................................................. 86 3.4.1.1. Vật liệu và thiết bị thí nghiệm....................................................................... 86 3.4.1.2. Thí nghiệm xác định mô đun động ............................................................... 87
vi Tiêu chuẩn áp dụng ...................................................................................... 87 Xác định phạm vi nhiệt độ và tần số trong thí nghiệm |E*| ......................... 87 Xác định mức ứng suất và số chu kỳ tác dụng của tải trọng ........................ 87 Tóm tắt phương pháp thí nghiệm ................................................................. 88 3.5. Xây dựng đường cong chủ (Master curve) của mô đun động |E*| ................... 89 3.6. Phương trình dự báo mô đun động cho bê tông nhựa chặt ở Việt Nam ........... 92 3.6.1. Đề xuất các hệ số cho các mô hình dự báo mô đun động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam .......................................................................................................... 92 3.6.2. Phương trình dự báo mô đun động cho bê tông nhựa chặt ở Việt Nam ...... 94 3.6.2.1. Dự báo mô đun động cho BTNC ở Việt Nam theo mô hình Witczak ban đầu 94 3.6.2.2. Dự báo mô đun động cho BTNC ở Việt Nam theo mô hình Witczak cải tiến 94 3.6.2.3. Dự báo mô đun động cho BTNC ở Việt Nam theo mô hình Hirsch ............. 95 3.7. So sánh kết quả dự báo trước và sau khi hiệu chỉnh các hệ số trong các mô hình theo điều kiện Việt Nam ............................................................................................. 95 3.8. So sánh các mô hình dự báo mô đun động của Hoa Kỳ với mô hình dự báo mô đun động của Việt Nam .............................................................................................. 98 3.9. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 101 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT TỚI ĐẶC TRƯNG KHAI THÁC CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM Ở VIỆT NAM ........................................................................... 102 4.1. Thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm ........................... 102 4.1.1. Điều tra và thu thập tất cả các thông số đầu vào....................................... 104 4.1.1.1. Thu thập dữ liệu giao thông ........................................................104 4.1.1.2. Khí hậu và thời tiết ......................................................................105 4.1.1.3. Các thông số về vật liệu ..............................................................105 Lớp đất nền thượng (Subgrade layer) và vật liệu không gia cố .............106 Vật liệu gia cố .........................................................................................107 Vật liệu bê tông nhựa ..............................................................................108 Vật liệu bitum ..........................................................................................109
vii 4.1.2. Lựa chọn thiết kế thử và phân tích ứng xử của kết cấu đã chọn ................ 109 4.1.2.1. Lựa chọn phương án kết cấu (lựa chọn thiết kế thử) ..................109 4.1.2.2. Phân tích ứng xử của thiết kế thử và điều chỉnh thiết kế thử ......109 4.1.2.3. Xác định thiết kế khả thi ..............................................................109 4.1.2.4. Các hệ số kiểm định.....................................................................110 4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của mô đun động tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt đường mềm tại một dự án ở Việt Nam ..................................................................... 110 4.2.1. Đặc trưng khai thác của kết cấu mặt đường mềm ...................................... 110 4.2.1.1. Hư hỏng mỏi (nứt mỏi) của mặt đường bê tông nhựa trong khai thác ...... 110 4.2.1.2. Hư hỏng dạng hằn lún vệt bánh xe ............................................................. 111 4.2.1.3. Nứt Nhiệt ..................................................................................................... 111 4.2.1.4. Chỉ số độ gồ ghề quốc tế IRI (International Roughness Index) ................. 111 4.2.2. Các thông số đầu vào sử dụng để phân tích ứng xử của kết cấu theo phương pháp cơ học thực nghiệm ......................................................................................... 112 4.2.1.1. Dữ liệu giao thông .......................................................................112 4.2.1.2. Khí hậu ........................................................................................112 4.2.1.3. Vật liệu.........................................................................................113 4.2.3. Phân tích kết cấu mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm ....... 113 4.2.3.1. Lựa chọn các phương án thiết kế thử ..........................................113 4.2.3.2. Tiêu chuẩn giới hạn thiết kế kết cấu mặt đường theo (ME) ........114 4.2.3.3. Phân tích ứng xử của các phương án kết cấu thử. ......................115 4.2.4. Điều chỉnh chiều dày kết cấu để đảm bảo chỉ tiêu hằn lún vệt bánh ......... 122 4.2.5. Phân tích độ nhạy của các thông số ảnh hưởng tới kết cấu ....................... 125 4.3. Kết luận chương 4 ........................................................................................... 128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 130 1. Những đóng góp về mặt khoa học ................................................................ 130 2. Những đóng góp về mặt thực tiễn ................................................................ 131 3. Hạn chế ........................................................................................................ 131 4. Kiến nghị ..................................................................................................... 132 5. Hướng nghiên cứu tiếp theo ......................................................................... 132
viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT AADT Annual average daily traffic/Giá trị trung bình giao thông hàng ngày theo hàng năm BTN Bê tông nhựa BKHCN Bộ khoa học và công nghệ BGTVT Bộ giao thông vận tải BTNC Bê tông nhựa chặt BTNR Bê tông nhựa rỗng CPĐD Cấp phối đá dăm DMA Dynamic Mechanical Analyzer/Thiết bị phân tích cơ học động DSR Dynamic Shear Rheometer/Thiết bị cắt động lưu biến NCS Nghiên cứu sinh AASHTO American Association of State Highways and Transportation Officials AC Asphalt concrete (Bê tông asphalt) AI Asphalt Institute (Viện asphalt) ASTM American Society of Testing Materials (Hiệp hội thí nghiệm vật liệu Hoa Kỳ ) ITT Indirect Tensile Test (Thí nghiệm kéo gián tiếp) LCPC Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (Phòng thí nghiệm trung tâm Đường và Cầu) ME Mechanical - Empirical (Cơ - thực nghiệm) ME PDG Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (DARWin-ME) (Hướng dẫn thiết kế mặt đường theo Cơ học thực nghiệm) NCAT The National Center for Asphalt Technology (Trung tâm công nghệ Asphalt) NCHRP National Cooperative Highway Research Program (Chương trình hợp tác nghiên cứu đường) Nf Số chu kỳ tác dụng của tải trọng lặp Nf50 Số chu kỳ tải trọng lặp tác dụng làm suy giảm mô đun độ cứng còn lại 50% trị số ban đầu SHRP Strategic Highway Research Program (Chương trình chiến lược nghiên cứu đường bộ)
ix SPDM Shell Pavement Design Manual (hướng dẫn thiết kế mặt đường Shell) AFT Apparent film thickness (chiều dày màng bi tum)  Biến dạng tương đối (m/m), biến dạng tương đối gọi tắt là “biến dạng” m/m ~ microstrain, viết tắt là  Gb Tỷ trọng của bi tum Gmb Mixture bulk specific gravity Gmm Maximum specific gravity (Tỷ trọng lớn nhất) Gmm Theoretical maximum specific gravity (tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp bê tông asphalt) Gsa Tỷ trọng biểu kiến của hỗn hợp cốt liệu Gsb Average Aggregate Specific Gravity (tỷ trọng khối của hỗn hợp cốt liệu) Gse Tỷ trọng có hiệu của hỗn hợp cốt liệu E* Complex modulus of asphalt hot mixture (Mô đun phức của bê tông nhựa |E*| Dynamic modulus of asphalt hot mixture (Mô đun động của bê tông nhựa E1 Thành phần thực của mô đun động E2 Thành phẩn ảo của mô đun động f Tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm mô đun động của bê tông nhựa fc Tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm mô đun cắt động của bitum Eb * Complex modulus of bitumen (Mô đun phức của bitum) |Eb*| Dynamic modulus of bitumen (Mô đun động của bitum) δb Góc pha của bitum δ Góc pha của bê tông nhựa δm Mô đun động nhỏ nhất của bê tông nhựa G* Complex shear modulus of bitumen (Mô đun cắt phức của bitum). |G*| Dynamic shear modulus of bitumen (Mô đun cắt động của bitum). HMA Hot mix asphalt (hỗn hợp bê tông nhựa nóng, gọi tắt là BTN) Pb Total asphalt binder content (% bi tum theo khối lượng hỗn hợp)
x Pba Hàm lượng bi tum hấp phụ, % khối lượng của hỗn hợp cốt liệu Pbe Hàm lượng bi tum có hiệu, % khối lượng của hỗn hợp bê tông asphalt Pmm % khối lượng của tổng khối lượng hỗn hợp ở trạng thái rời (Pmm= 100) Ps Tỷ lệ cốt liệu theo % tổng khối lượng hỗn hợp bê tông asphalt Ss Aggregate Specific Surface (tỷ diện bề mặt) Va Volume of Air Voids (độ rỗng dư) Vbeff Effective asphalt content, percent by volume (hàm lượng bi tum có hiệu) Vb Volume of bitumen (thể tích của bitum trong hỗn hợp bê tông nhựa) Vg Volume of mineral aggregate (thể tích cốt liệu trong hỗn hợp bê tông nhựa VFA Voids Filled with Asphalt (độ rỗng lấp đầy bi tum) VMA Voids in the Mineral Aggregate (độ rỗng cốt liệu)
xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Một số chỉ tiêu vật lý cơ bản của các loại bitum ..........................................42 Bảng 2.2: Các hằng số C1, C2 và các thông số của mô hình 2S2P1D ..........................51 Bảng 2.3: Tiêu chuẩn đánh mức độ dự báo của mô hình 2S2P1D [43] ........................52 Bảng 2.4: Đánh giá mức độ dự báo của mô hình 2S2P1D theo tiêu chuẩn thống kê ...52 Bảng 2.5: Giá trị G*/sinδ của các loại bitum ở các nhiệt độ khác nhau .......................56 Bảng 2.6: Giá trị của |G*|, góc pha(δb) và độ nhớt (η) của các loại bitum....................60 Bảng 3.1: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý và độ dính bám của đá Bazan ..........................65 Bảng 3.2: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý và độ dính bám của đá Granit ..........................66 Bảng 3.3: Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý và độ dính bám của đá Vôi...............................66 Bảng 3.4: Các chỉ tiêu cơ lý của bột khoáng và cường độ đá gốc ................................67 Bảng 3.5: Các cấp phối đề xuất trong nghiên cứu.........................................................71 Bảng 3.6: Tổng hợp kết quả thiết kế BTNC12.5 ...........................................................73 Bảng 3.7: Tổng hợp kết quả thiết kế BTNC19 ..............................................................74 Bảng 3.8: Ví dụ về thiết kế thực nghiệm mảng trực giao L8(2^7)................................76 Bảng 3.9: Số lượng mẫu quy hoạch cho BTNC12.5 .....................................................78 Bảng 3.10: Số lượng mẫu quy hoạch cho BTNC19 ......................................................78 Bảng 3.11: Các thông số đầu vào sử dụng để phân tích độ nhạy..................................83 Bảng 3.13: Các mức độ ứng suất động tùy theo nhiệt độ thí nghiệm điển hình ...........88 Bảng 3.14: Số các chu kỳ thí nghiệm tùy theo các giá trị của tần số khác nhau [68] ...88 Bảng 3.15: Thời gian duy trì mẫu thí nghiệm ở các nhiệt độ khác nhau [68] ...............88 Bảng 3.16: Các thông số của đường cong chủ và các thông số thống kê tương ứng ....91 Bảng 3.17: Các nhiệt độ và tần số áp dụng trong kiểm định các mô hình dự báo ........93 Bảng 3.18: Các hệ số trong mô hình Witczak ban đầu trước và sau khi hiệu chỉnh .....94 Bảng 3.19: Các hệ số trong mô hình Witczak cải tiến trước và sau khi hiệu chỉnh ......94 Bảng 3.20: Các hệ số trong mô hình Hirsch trước và sau khi hiệu chỉnh .....................94 Bảng 3.21: Tổng hợp các thông số đầu vào sử dụng để dự báo |E*| .............................96 Bảng 3.22: Sai khác giữa kết quả dự báo và kết quả thực nghiệm của |E*| trong các mô hình Witczak và mô hình Hirsch (trước và sau khi đã hiệu chỉnh các hệ số) ...............96
xii Bảng 3.23: Đánh giá thống kê mức độ phù hợp “Goodness-of- fit statistic” của các mô hình dự báo trước và sau khi hiệu chỉnh các hệ số theo điều kiện Việt Nam ...............97 Bảng 3.24: So sánh các mô hình dự báo mô đun động của Hoa Kỳ và ........................99 Bảng 4.1a: Các chỉ tiêu đầu vào của nền đất ứng với các mức thiết kế khác nhau [16] .....................................................................................................................................107 Bảng 4.1b: Các chỉ tiêu đầu vào của nền đất ứng với các mức thiết kế khác nhau [16] .....................................................................................................................................109 Bảng 4.2: dữ liệu giao thông .......................................................................................112 Bảng 4.3: Thông tin khí hậu của một số khu vực đại diện ở Việt Nam ......................113 Bảng 4.4: Tổng hợp các phương án kết cấu mặt đường khác nhau ............................114 Bảng 4.5: Tiêu chuẩn giới hạn thiết kế kết cấu mặt đường mềm theo (ME) ..............114 Bảng 4.6: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 1) ...............................117 Bảng 4.7: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 2) ...............................118 Bảng 4.8: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 3) ...............................118 Bảng 4.9: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 4) ...............................119 Bảng 4.10: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 5) .............................119 Bảng 4.11: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 6) .............................120 Bảng 4.12: Phương án kết cấu điều chỉnh ...................................................................123 Bảng 4.13: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 1 điều chỉnh) ...........123 Bảng 4.14: Kết quả dự báo ứng xử kết cấu mặt đường (kết cấu 3 điều chỉnh) ...........124 Bảng 4.15: Các biến độ nhạy của các phương án kết cấu ...........................................126
xiii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Các giai đoạn biến dạng của bitum phụ thuộc vào tải trọng tác dụng [56]. ....8 Hình 1.2: Nguyên Lý thí nghiệm cắt động ....................................................................10 Hình 1.3: Sự trễ pha giữa ứng suất và biến dạng trong thí nghiệm DSR [47] ..............10 Hình 1.4: Hai thành phần của mô đun cắt động |G*| của bitum [76] ............................10 Hình 1.5: Thiết bị thí nghiệm MetraviB tại IFSTTAR [15] ..........................................11 Hình 1.6: Nguyên lý thí nghiệm mẫu ............................................................................12 Hình 1.7: Nguyên lý thí nghiệm mẫu ............................................................................12 Hình 1.8: Mô đun cắt động của một số .........................................................................15 Hình 1.9: góc pha (δb) của một số loại ..........................................................................15 Hình 1.10: Mô đun phức và góc pha của bitum PMB-AS7 tại tần số 0.02 Hz ở các điều kiện già hoá khác nhau [79]...........................................................................................15 Hình 1.11: Mô đun phức và góc pha của bitum PMB-BS7 tại tần số 0.02 Hz ở các điều kiện già hoác khác nhau [79] .........................................................................................15 Hình 1.12: Giá trị G* của bitum sử dụng các phụ gia khác nhau ở 25oC [79] ..............16 Hình 1.13: Giá trị góc pha của bitum sử dụng các phụ gia khác nhau ở 25oC [79] ......16 Hình 1.14: Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |G*|, [52]...................................18 Hình 1.15: Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của góc pha, [52].............................18 Hình 1.16: Hai thành phần.............................................................................................19 Hình 1.17: Sự trễ pha của biến dạng .............................................................................19 Hình 1.18 Thiết bị cooper của .......................................................................................21 Hình 1.19: Thiết bị thí nghiệm |E*| của trường ĐHGTVT ...........................................21 Hình 1.20: Các chu kỳ ứng suất và biến dạng của mô đun động [23] ..........................21 Hình 1.21: Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |E*| [23] ...................................22 Hình 1.22: Đường cong chủ của |E*| [23] ....................................................................22 Hình 1.23: Ảnh hưởng của loại bitum và mô ................................................................23 Hình 1.24: Ảnh hưởng của loại bitum và mô ................................................................23 Hình 1.25: Ảnh hưởng của thành phần hạt ....................................................................24 Hình 1.26: Ảnh hưởng của thành phần..........................................................................24 Hình 1.27: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mô hình Idaho [18] ............................29
xiv Hình 1.28: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| .....................................................................29 Hình 1.29: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mô hình Witczak cải tiến [61] ...........29 Hình 1.30: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mô hình Hirsch [61] ..........................30 Hình 2.1: Mô hình Maxwell [47] ..................................................................................46 Hình 2.2: Mô hình Voigt-Kelvin [47] ...........................................................................46 Hình 2.3: Mô hình Maxwell ..........................................................................................46 Hình 2.4: Mô hình Voigt-Kelvin ...................................................................................46 Hình 2.5: Mô hình Huet [47] .........................................................................................46 Hình 2.6: Mô hình Huet-Sayegh [47] ............................................................................46 Hình 2.7: Mô hình 2S2P1D [47] ...................................................................................47 Hình 2.8: Mô hình Burgers [47] ....................................................................................47 Hình 2.9: Ứng xử biến dạng của mô hình Maxwell [47] ..............................................47 Hình 2.10: Ứng xử biến dạng của mô hình Kelvin [47] ................................................47 Hình 2.11: ứng xử của mô hình Burger [50] .................................................................47 Hình 2.12: Đường cong chủ của mô đun cắt động |G*| của bitum 60/70, Tref=30oC ..53 Hình 2.14: Biểu đồ đường cong chủ của |G*|, Tref =30oC ..........................................54 Hình 2.15: Biểu đồ đường cong chủ của góc pha (δ), Tref =30oC ................................55 Hình 2.16: Biểu đồ góc pha (δb) – Mô đun cắt động(|G*|), Tref =30oC .......................55 Hình 3.1: Nội dung nghiên cứu mối quan hệ thực nghiệm giữa |E*| -(|G*|,δb,η) .........63 Hình 3.2: Cấp phối BTNC 19 theo [2], [7], [69], [71] ..................................................69 Hình 3.3: Cấp phối BTNC 12.5 theo [2], [7], [69], [71] ...............................................70 Hình 3.4: Các cấp phối BTNC19 ..................................................................................72 Hình 3.5: Các cấp phối BTNC12.5 ...............................................................................72 Hình 3.6: So sánh thiết kế thực nghiệm theo phương pháp truyền thống .....................76 Hình 3.7: Phần mềm Orcral Crystal Ball tích hợp vào MS excel 2016 ........................82 Hình 3.8: Độ nhạy của log|E*| trong mô ......................................................................84 Hình 3.9: Độ nhạy của log(|E*|) trong mô ...................................................................84 Hình 3.10: Độ nhạy của |E*| trong mô hình Hirsh .......................................................84 Hình 3.11: Độ nhạy của log|E*| trong mô ....................................................................85 Hình 3.12: Độ nhạy của log(|E*|) trong mô .................................................................85 Hình 3.13: Độ nhạy của |E*| trong mô hình Hirsh .......................................................85
xv Hình 3.15: Biểu đồ hệ số dịch chuyển theo ...................................................................89 Hình 3.16: Đường cong chủ của |E*| (BTNC 12.5, nhiệt độ tham chiếu là 10oC) .......91 Hình 3.17: Mô hình Orginal Witczak ............................................................................97 Hình 3.18: Mô hình Orginal Witczak ............................................................................97 Hình 3.19: Mô hình modified Witczak..........................................................................98 Hình 3.20: Mô hình modified Witczak..........................................................................98 Hình 3.21: Mô hình Hirsch trước khi hiệu chỉnh ..........................................................98 Hình 3.22: Mô hình Hirsch sau khi hiệu chỉnh .............................................................98 Hình 4.1 : Các bước thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm [44] .....................................................................................................................................103 Hình 4.2: Phương án bố trí kết cấu mặt đường ...........................................................114 Hình 4.3: Cửa sổ mặc định của phần mềm (ME) [22] ................................................115 Hình 4.4: Cửa sổ chính của phần mềm (ME) [22] ......................................................116 Hình 4.5: Mục tạo dự án của phần mềm (ME) [22] ....................................................116 Hình 4.6:Trợ giúp việc nhập dữ liệu bằng màu sắc của phần mềm (ME) [22] ...........117 Hình 4.7: Biểu đồ hằn lún vệt bánh xe theo thời gian .................................................120 Hình 4.8: Biểu đồ chỉ số độ gồ ghề theo thời gian ......................................................121 Hình 4.9: Biểu đồ nứt phân bố (đáy-đỉnh) theo thời gian ...........................................121 Hình 4.10: Biểu đồ nứt nhiệt theo thời gian ................................................................122 Hình 4.11: Biểu đồ hằn lún vệt bánh xe .....................................................................124 Hình 4.12: Biểu đồ độ gồ ghề IRI theo thời gian ........................................................124 Hình 4.13: Biểu đồ nứt phân bố theo thời gian ...........................................................125 Hình 4.14: Biểu đồ nứt nhiệt theo thời gian ................................................................125 Hình 4.15: Độ nhạy tổng biến dạng vĩnh cửu theo AADT (kết cấu 6) .......................126 Hình 4.16: Độ nhạy của IRI theo AADT (kết cấu 6) ..................................................126 Hình 4.17: Độ nhạy của nứt phân bố theo AADT (kết cấu 6) ....................................127 Hình 4.18: Độ nhạy nứt nhiệt theo AADT (kết cấu 6) ...............................................127
xvi