Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng cốt sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện Việt Nam

1<br /> MỞ ĐẦU<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Mặt đường bê tông asphalt chiếm tỷ trọng lớn trong mạng lưới đường ô tô trên thế giới và ở Việt Nam do<br /> những ưu điểm về: chất lượng khai thác, giá thành và mức độ thuận lợi trong thi công. Theo số liệu thống<br /> kê, hơn 70% tổng số chiều dài đường cao tốc trên thế giới, 72% tổng chiều dài đường cao tốc ở Đức và hơn<br /> 80% tổng chiều dài mạng lưới đường ở Việt Nam sử dụng kết cấu mặt đường bê tông asphalt [18].<br /> Các tiêu chuẩn của thế giới và tiêu chuẩn Việt Nam đã quy định về đặc tính của bê tông asphalt làm mặt<br /> đường. Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng, hai vấn đề cần bổ sung và xem xét: khả năng chống lún và<br /> chịu mỏi của bê tông asphalt. Thông qua thí nghiệm lún vệt bánh xe, chiều sâu lún tương quan với số lượt<br /> tác dụng của tải trọng được xác định. Thông qua thí nghiệm mỏi, tuổi thọ mỏi và các đường đặc tính mỏi<br /> của vật liệu được xác định. Từ những kết quả thí nghiệm đó có thể đánh giá khả năng chống lún và chống<br /> mỏi của vật liệu làm mặt đường ô tô, phục vụ cho quá trình thiết kế và thi công.<br /> Để nâng cao chất lượng bê tông asphalt, hiện nay trên thế giới thường đi theo ba hướng:<br /> + Sử dụng bitum cải tiến<br /> + Điều chỉnh cấp phối phù hợp với mục đích sử dụng và sử dụng cốt liệu chất lượng cao<br /> + Cải tiến thành phần hỗn hợp bê tông asphalt bằng vật liệu gia cường<br /> Các loại sợi gia cường trong bê tông asphalt rất đa dạng, như: sợi Cellulose, sợi cácbon, sợi thủy tinh, sợi<br /> Polypropylene, sợi khoáng, v.v… Nghiên cứu của Luận án tập trung vào việc xem xét ảnh hưởng sợi thủy<br /> tinh đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt.<br /> Trên thế giới, từ những năm 60 của thế kỷ trước bê tông asphalt gia cường sợi đã bắt đầu được nghiên cứu<br /> [51], đến nay nghiên cứu tương đối toàn diện và kết quả thấy rằng vật liệu này làm việc tốt trong điều kiện<br /> các nước ôn đới và hàn đới. Vấn đề đặt ra là cốt sợi thủy tinh có cải thiện đặc tính chống mỏi và chống lún<br /> cho vật liệu bê tông asphalt nóng trong điều kiện Việt Nam hay không? Cần phải được nghiên cứu, thực<br /> nghiệm để có câu trả lời.<br /> Do vậy, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng cốt sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún<br /> vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện Việt Nam” là cần thiết và có tính thời sự.<br /> <br /> 2. Mục đích nghiên cứu<br /> -<br /> <br /> Nghiên cứu cơ bản đặc tính chống lún vệt bánh xe, đặc tính chịu mỏi của bê tông asphalt chặt rải<br /> nóng (HMA);<br /> Lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần cấu tạo của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh (G-FRAC)<br /> để cải thiện đặc tính chịu mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt;<br /> Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính chống lún vệt bánh xe của G-FRAC,<br /> ảnh hưởng của hàm lượng sợi thủy tinh gia cường tới khả năng chống lún vệt bánh xe;<br /> Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính chịu mỏi của G-FRAC, ảnh hưởng của<br /> hàm lượng sợi thủy tinh gia cường đến đặc tính này.<br /> <br /> 3. Phạm vi nghiên cứu<br /> Nghiên cứu tập trung các vấn đề sau:<br /> - Khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt chặt nóng gia cường sợi thủy tinh phân tán (GFRAC);<br /> - Khả năng chống mỏi của G-FRAC;<br /> <br /> 4. Cấu trúc của luận án<br /> Gồm phần mở đầu, tiếp theo là bốn chương, phần kết luận, kiến nghị, dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo,<br /> danh mục tài liệu tham khảo. Cụ thể như sau :<br /> Đặt vấn đề nghiên cứu<br /> Chương 1: Tổng quan<br /> Chương 2: Sợi thủy tinh và khả năng gia cường sợi thủy tinh trong bê tông asphalt<br /> Chương 3: Nghiên cứu khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh<br /> Chương 4: Nghiên cứu khả năng chống mỏi của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh<br /> Kết luận, kiến nghị và dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo.<br /> Tài liệu tham khảo<br /> <br /> 2<br /> 5. Những đóng góp của đề tài l<br /> -<br /> <br /> -<br /> <br /> Phân tích được ảnh hưởng của cốt sợi thủy tinh phân tán cải thiện đặc tính chống mỏi và chống lún<br /> vệt bánh của bê tông asphalt chặt nóng;<br /> Phân tích và lựa chọn được mô hình thí nghiệm mỏi và lún vệt bánh xe của bê tông asphalt. Đã lựa<br /> chọn loại cốt sợi thủy tinh phù hợp để gia cường bê tông asphalt;<br /> Đề xuất công thức hỗn hợp bê tông asphalt chặt nóng gia cường sợi thủy tinh phân tán với hàm<br /> lượng sợi tốt nhất 0,3%, sử dụng bitum PMBIII và bitum 40-50. Đã đưa ra định lượng hiệu quả cải<br /> thiện khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh của bê tông asphalt cốt sợi thủy tinh phân tán với<br /> bê tông asphalt đối chứng với 2 loại bitum PMBIII và 40-50;<br /> Đã xây dựng được 4 đường đặc tính mỏi của bê tông asphalt PMBIII và 4 đường đặc tính mỏi của bê<br /> tông asphalt 40/50 tùy thuộc vào hàm lượng sợi thủy tinh 0%; 0.1%; 0.3%; 0.5% từ thí nghiệm uốn<br /> mỏi theo phương pháp khống chế ứng suất.<br /> <br /> 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài<br /> Bê tông asphalt rải nóng là vật liệu chính để xây dựng lớp mặt đường ô tô. Trong quá trình khai thác dài hạn,<br /> lớp bê tông asphalt trong kết cấu mặt đường có thể bị phá hoại do mỏi và xuất hiện các biến dạng không hồi<br /> phục (lún vệt bánh xe). Các vấn đề này ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ và an toàn khai thác. Vì vậy, để tăng<br /> cường hai tính chất trên có thể sử dụng biện pháp cải tiến chất lượng bê tông asphalt trong đó có hướng<br /> nghiên cứu sử dụng cốt sợi phân tán. Một số nghiên cứu trên thế giới đã thí nghiệm đặc tính của bê tông<br /> asphalt khi sử dụng sợi các bon, sợi polyester, sợi amiang và sợi thủy tinh theo các chỉ tiêu kỹ thuật thu<br /> được các kết quả tốt.<br /> uận án có ngh a khoa học và thực tiễn, có tính mới, lần đầu tiên triển khai nghiên cứu về bê tông asphalt<br /> sử dụng sợi thủy tinh gia cường, về bê tông asphalt sử dụng nhựa đường 40/50 liên quan đến mỏi và biến<br /> dạng không hồi phục. Luận án đã xác định được hàm lượng sợi thủy tinh phân tán cho bê tông asphalt chặt<br /> rải nóng sử dụng bitum 40/50 và bitum polymer với hàm mục tiêu là chu kỳ mỏi khi khống chế ứng suất và<br /> chiều sâu vệ lún bánh xe. Luận án góp phần làm rõ hơn vai trò của cốt sợi thủy tinh phân tán với hàm lượng<br /> từ 0,1% đến 0,5% trong bê tông asphalt rải nóng. Luận án làm phong phú thêm các kiến thức lý thuyết và<br /> thực nghiệm về cơ chế gia cường cốt sợi phân tán trong bê tông asphalt rải nóng và là tài liệu tham khảo tốt<br /> cho những nhà nghiên cứu về vấn đề trên.<br /> CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN<br /> 1.1<br /> Tổng quan đặc tính kháng lún vệt bánh xe và kháng mỏi của bê tông asphalt trong xây dựng<br /> mặt đƣờng ô tô<br /> 1.1.1 Các vấn đề chung<br /> 1.1.1.1 ịch sử phát triển của bê tông asphalt<br /> 1.1.1.2 Khái niệm và phân loại bê tông asphalt<br /> 1.1.2 Đặc tính kháng lún vệt bánh xe của bê tông asphalt<br /> 1.1.2.1 Giới thiệu chung<br /> Lún vệt bánh xe hay được gọi là biến dạng không hồi phục là một hiện tượng của mặt đường bê tông<br /> asphalt. Nguyên nhân của nó là:<br /> - Sự giảm thể tích của bê tông asphalt do tác dụng đầm nén của bánh xe;<br /> - Ứng suất cắt sinh ra dưới tác dụng lặp đi lặp lại của tải trọng bánh xe, đây là nhân tố cơ bản.<br /> Cơ chế hình thành phát triển của hiện tượng lún vệt bánh xe có thể được chia thành hai trường hợp [14] :<br /> - Trường hợp thứ nhất, lún vệt bánh xe xuất hiện chỉ trong lớp vật liệu bê tông asphalt, ứng suất cắt<br /> trượt xuất hiện trong lớp vật liệu bê tông asphalt lớn hơn cường độ chịu cắt trượt của vật liệu.<br /> - Trường hợp thứ hai, biến dạng gây ra lún vệt bánh xe chủ yếu xảy ra trong lớp nền và lớp móng hơn<br /> là xảy ra trong lớp bê tông asphalt.<br /> Để đánh giá đặc tính này của bê tông asphalt, người ta có thể sử dụng các dạng thí nghiệm mô phỏng khả<br /> năng chịu lún của mẫu vật liệu dưới tác động của tải trọng bánh xe ngoài thực tế. Có nhiều tiêu chuẩn như:<br /> AASHTO T324; BS EN 12697-22:2004.<br /> 1.1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kháng lún vệt bánh xe:<br /> - Cốt liệu<br /> <br /> 3<br /> -<br /> <br /> Bitum<br /> Bột khoáng<br /> Tải trọng<br /> Nhiệt độ cao<br /> Ở ngưỡng nhiệt độ cao, thay đổi từ 46oC đến 82oC [2], mặt đường HMA thường xuất hiện tình trạng trồi lún.<br /> Tại Hà nội, trong 10 năm gần đây, nhiệt độ không khí cao nhất trong năm theo thống kê của Trung tâm tư liệu khí tượng<br /> thủy văn luôn đạt ở ngưỡng cao và rất cao, dao động xung quanh mốc 39oC. Ta có biểu đồ nhiệt độ tại mặt đường<br /> (chiều sâu 20mm dưới lớp bê tông asphalt) như Hình 1-1.<br /> <br /> Hình 1-1 Nhiệt độ môi trường và nhiệt độ mặt đường Asphalt tại Hà nội<br /> trong 10 năm gần đây<br /> <br /> Biến dạng ban đầu (m/m)<br /> <br /> - Nước<br /> 1.1.3 Đặc tính kháng mỏi của bê tông asphalt<br /> 1.1.3.1 Giới thiệu chung<br /> Bản chất hiện tượng mỏi là sự suy giảm độ bền của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng trùng phục. Dưới tác<br /> dụng của tải trọng ban đầu các vết nứt vi mô xuất hiện trong vật liệu. Dần dần, các vết nứt vi mô phát triển,<br /> liên kết và hình thành vết nứt lớn gây suy giảm cường độ, phá hoại mặt đường.<br /> Để đánh giá đặc tính mỏi của bê tông asphalt người ta tiến hành hai nhóm thí nghiệm chính: nhóm thực<br /> nghiệm hiện trường và nhóm thí nghiệm trong phòng.<br /> Nhóm thí nghiệm hiện trường<br /> Nhóm trong phòng thí nghiệm có thể chia làm 3 loại lớn:<br /> - Thí nghiệm uốn (hai, ba, bốn điểm);<br /> - Thí nghiệm kéo nén (trực tiếp hoặc gián tiếp);<br /> - Thí nghiệm trượt.<br /> Hai dạng thí nghiệm được sử dụng:<br /> - Thí nghiệm khống chế biến dạng;<br /> - Thí nghiệm khống chế ứng suất.<br /> 1.1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính mỏi của bê tông asphalt<br />  Nhiệt độ<br /> Thí nghiệm khống chế ứng suất<br /> Với thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất, nhiều nghiên cứu thấy rằng tuổi thọ mỏi giảm đi khi nhiệt độ tăng<br /> lên [65]. Trong một vài nghiên cứu, phân tích những thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất chỉ ra rằng, khi thể<br /> hiện tuổi thọ mỏi theo sự thay đổi của biến dạng ban đầu, đường đặc tính mỏi là duy nhất không bị ảnh<br /> hưởng của yếu tố nhiệt độ khi nhiệt độ thí nghiệm trong khoảng từ -10oC đến 20oC. [80] (Hình 1-2).<br /> <br /> Tuổi thọ mỏi N (chu kì)<br /> <br /> Hình 1-2. Đường đặc tính mỏi ở các nhiệt độ khác nhau với thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất [80]<br /> <br /> 4<br /> iên quan đến ảnh hưởng của nhiệt độ tới vị trí phá hủy trong thí nghiệm mỏi, Kim đã làm các thí nghiệm<br /> mỏi khống chế ứng suất, ép theo phương đường kính của mẫu trụ tròn [52]. Kết quả chỉ ra rằng ở 0°C, vị trí<br /> vết phá hủy nằm ở màng bitum hoặc thậm chí là cốt liệu đá, trừ những trường hợp vật liệu kém dính. Còn ở<br /> 20°C, vị trí nứt mỏi nằm ở bề mặt tiếp xúc của đá và bitum.<br /> - Nhiệt độ thấp<br /> Bê tông asphalt là một loại vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ. Ở nhiệt độ thấp từ - 10oC đến - 46oC [2], bitum<br /> trong hỗn hợp bê tông asphalt bị hóa cứng khiến cho cốt liệu dễ bị bong bật khỏi chất kết dính asphalt. Gây<br /> nên hiện tượng gẫy vỡ của lớp bê tông asphalt mặt đường.<br /> Biểu đồ nhiệt độ thấp nhất của mặt đường thể hiện trên Hình 1-3. Đây có thể lấy làm cơ sở ngưỡng nhiệt độ<br /> thấp để nghiên cứu tuổi thọ mỏi của mặt đường bê tông asphalt. Theo phân vùng khí hậu của Việt Nam, các<br /> khu vực khác nhau có thể có ngưỡng nhiệt độ thấp hơn (như vùng núi phía Bắc) hoặc cao hơn (như vùng<br /> miền Nam Trung Bộ và Nam Bộ).<br /> <br /> Hình 1-3 Nhiệt độ mặt đường thấp nhất 6 năm ở Hà nội<br /> <br /> <br /> <br /> Tần số tác dụng lực<br /> Yếu tố tần số tác dụng lực ít được nghiên cứu hơn so với nhiệt độ. Nghiên cứu của Doan chỉ ra rằng khi tần<br /> số tác dụng lực tăng, tuổi thọ mỏi giảm với thí nghiệm khống chế biến dạng và tăng với thí nghiệm khống<br /> chế ứng suất [80]<br />  Hình dạng mẫu<br />  Thời gian nghỉ tác dụng lực<br /> Hai dạng sơ đồ tác dụng tải thường được sử dụng trong các thí nghiệm có thời gian chờ:<br /> - Tác dụng nhiều chu kì tải liên tục sau đó là thời gian nghỉ chờ dài;<br /> - Tác dụng như xung lực, sau mỗi chu kì đều có khoảng nghỉ và lặp lại nhiều lần.<br /> Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy rằng tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt tăng lên khi có thời gian nghỉ chờ<br /> trong các thí nghiệm mỏi [28], [80]. Tuy nhiên thời gian nghỉ chờ cũng có giới hạn hiệu quả. Vượt qua<br /> khoảng giới hạn này, tăng thời gian nghỉ không làm tăng tuổi thọ mỏi của vật liệu. Thời gian nghỉ chờ gấp<br /> 10 lần thời gian tác dụng lực được lấy là ngưỡng thí nghiệm đánh giá tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt [21].<br />  Bitum<br /> Nhìn chung, sử dụng các loại bitum polyme, bitum cải tiến sẽ làm tăng tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt.<br />  Cốt liệu và bột khoáng<br /> Kết quả nghiên cứu của một số tác giả [27] cho rằng hình dạng cốt liệu ảnh hưởng ít đến đặc tính mỏi của bê<br /> tông asphalt. Kim chỉ ra rằng tính dính bám của bitum và cốt liệu có ảnh hưởng đến đặc tính mỏi của bê<br /> tông asphalt [52]. Mặt khác bê tông asphalt sử dụng cấp phối gián đoạn có tuổi thọ mỏi kém hơn so với bê<br /> tông asphalt sử dụng cấp phối liên tục [60]<br /> Cũng giống như hàm lương bitum, bê tông asphalt cũng tồn tại một hàm lượng bột khoáng thiết kế cho sức<br /> kháng mỏi [83]. Hàm lượng này khoảng từ 7-9% đối với hỗn hợp đá bitum sử dụng làm lớp móng (GB Grave Bitume) ở Pháp.<br /> 1.2<br /> Các nghiên cứu về biện pháp cải thiện đặc tính kháng lún vệt bánh xe và đặc tính chịu mỏi của<br /> bê tông asphalt trên thế giới và ở Việt Nam<br /> Để cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe và đặc tính mỏi của bê tông asphalt chặt rải nóng, hiện nay thế giới nói<br /> chung và ở Việt Nam nói riêng đã và đang sử dụng theo ba hướng:<br /> - Điều chỉnh cấp phối phù hợp với mục đích sử dụng và sử dụng cốt liệu chất lượng cao;<br /> <br /> 5<br /> Cải tiến thành phần hỗn hợp bằng vật liệu gia cường;<br /> Sử dụng bitum cải tiến.<br /> Luận án tập trung hướng cải tiến bằng vật liệu gia cường và sử dụng bitum cải tiến.<br /> 1.2.1 Sử dụng sợi gia cƣờng<br /> Trên thế giới, một trong những biện pháp cải tiến thành phần chế tạo hữu hiệu nhất để nâng cao chất lượng<br /> của bê tông asphalt là biện pháp gia cường sợi trong bê tông asphalt. Phương pháp này đã được nghiên cứu<br /> từ những năm 60 của thế kỷ trước [51] và đã được nghiên cứu sử dụng ở nhiều nước như Hoa Kỳ, Nhật<br /> Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc v.v…<br /> - Bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh (Glass fiber)<br /> - Bê tông asphalt gia cường sợi cacbon<br /> - Bê tông asphalt gia cường sợi polypropylen<br /> - Bê tông asphalt sử dụng sợi Cellulose phân tán<br /> - Bê tông asphalt gia cường sợi polypropylen<br /> - Bê tông asphalt gia cường sợi polyester<br /> 1.2.2 Sử dụng bitum cải tiến<br /> Bitum là chất kết dính tạo tính đàn - nhớt cho bê tông asphalt. Một số phương pháp cải tiến bitum được trình<br /> bày sau đây:<br /> - Bitum polime<br /> - Bium cải tiến bằng cách cho thêm lưu huỳnh<br /> - Bitum cải tiến bằng cách cho thêm cao su<br /> - Bitum cải tiến bằng cách cho thêm cao su dẻo nhiệt<br /> 1.3<br /> Xác định vấn đề nghiên cứu<br /> Các biện pháp cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe và đặc tính mỏi của bê tông asphalt đã được phân tích và<br /> đánh giá ở phần 1.2. Nhìn chung biện pháp gia cường sợi phân tán là một trong những biện pháp hữu hiệu<br /> để cải thiện khả năng làm việc của bê tông asphalt.<br /> Việc nghiên cứu mới chỉ ở giai đoạn bước đầu, các nghiên cứu về bê tông asphalt chặt rải nóng sử dụng cốt<br /> sợi thủy tinh còn hạn chế, khả năng cải thiện đặc tính chống lún vệt bánh xe chưa được đề cập đầy đủ. Chưa<br /> có nghiên cứu nào về khả năng cải thiện đặc tính chịu mỏi của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh và<br /> chưa đề cập đến ảnh hưởng của điều kiện nhiệt đới ở Việt Nam. Do đó luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng cốt<br /> sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện<br /> Việt Nam” là cần thiết và có tính thời sự.<br /> 1.4<br /> Mục tiêu nghiên cứu<br /> - Xác định thành phần cấu tạo của bê tông asphalt chặt rải nóng gia cường sợi thủy tinh G-FRAC sử<br /> dụng hàm lượng sợi 0%; 0,1%; 0,3%; 0,5%;<br /> - Nghiên cứu khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt chặt rải nóng gia cường sợi thủy<br /> tinh phân tán;<br /> - Nghiên cứu khả năng chống mỏi của bê tông asphalt chặt rải nóng gia cường sợi thủy tinh phân tán;<br /> - Phân tích đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng sợi thủy tinh, bitum polymer PMBIII và bitum thường<br /> mác 40-50 đến khả năng chống lún vệt bánh xe và chống mỏi của bê tông asphalt chặt rải nóng.<br /> 1.5<br /> Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu<br /> - Nghiên cứu lý thuyết về bản chất và các đặc tính sợi thủy tinh và G-FRAC; vai trò của sợi thủy tinh<br /> khi gia cường bê tông asphalt;<br /> - Nghiên cứu thực nghiệm xác định công thức thành phần của G-FRAC trong phòng thí nghiệm ở Việt<br /> Nam;<br /> - Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng chống lún vệt bánh xe và khả năng chống mỏi của GFRAC trong điều kiện của Việt Nam.<br /> <br /> -<br /> <br />