Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:29

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông "Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng" được nghiên cứu với mục tiêu: Nghiên cứu phát triển mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm có cấu tạo lớp mặt BTN trên lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng (CPĐD GCXM) thuộc khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng, từ đó đánh giá ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến phân bố nhiệt độ trong KCMĐ, đồng thời làm căn cứ đề xuất nhiệt độ áp dụng trong thực tiễn công tác thiết kế, kiểm tra và đánh giá chất lượng KCMĐ, nhằm hạn chế các hư hỏng của KCMĐ dưới tác dụng của tải trọng và khí hậu thời tiết trong quá trình khai thác.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THỊ THU THẢO NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG CHO KHU VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG Ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số : 9580205 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ Đà Nẵng, Năm 2023
Công trình này được hoàn thành tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Hồng Hải 2. PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc Phản biện 1: ………………........................... Phản biện 2: ………………........................... Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án ở đơn vị chuyên môn Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng vào lúc ......... giờ, ngày ……… tháng ……… năm 2023. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Thư viên Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển của nền kinh tế - xã hội, các phương tiện giao thông vận tải đường bộ ngày càng tăng lên cả về lưu lượng và tải trọng trục xe. Do vậy, các tuyến đường cấp cao đang ngày càng được xây dựng nhiều hơn để đáp ứng nhu cầu. Tuy nhiên nguồn vật liệu sử dụng cho xây dựng đường ngày càng giảm, việc thiết kế và xây dựng đường cần phải cân nhắc sử dụng nguồn vật liệu tiết kiệm hơn. Theo các nghiên cứu của Ban quản lý đường bộ liên bang Hoa Kỳ [1, 2], loại kết cấu mặt đường mềm (KCMĐ) với lớp mặt bê tông nhựa (BTN) đặt trên lớp móng gia cố xi măng (GCXM) có rất nhiều ưu điểm và đang ngày càng được sử dụng, đặc biệt lớp móng GCXM có cường độ và độ ổn định cường độ cao nên chiều dày lớp móng sẽ nhỏ hơn giúp tiết kiệm nguồn vật liệu móng đường khai thác từ thiên nhiên. Khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng đang trên đà phát triển, nhu cầu xây dựng các tuyến đường càng nhiều, việc tiết kiệm vật liệu KCMĐ là rất cần thiết. Tuy nhiên, loại KCMĐ này có nhược điểm, dễ xuất hiện các vết nứt do hiện tượng nứt phản ảnh từ lớp móng GCXM lan truyền lên lớp mặt BTN, mà nguyên nhân một phần do chịu ảnh hưởng bất lợi của nhiệt độ. Ngoài ra, BTN có tính chất đàn hồi-nhớt-dẻo nên cường độ mặt đường chịu ảnh hưởng nhiều vào nhiệt độ và tác dụng của tải trọng xe chạy. Dưới tác dụng lặp của tải trọng xe chạy, mặt đường BTN dễ phát sinh biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao (hiện tượng lún vệt bánh xe); ngược lại ở nhiệt độ thấp BTN trở nên dòn, dễ gãy vỡ và xuất hiện vết nứt. Có thể nói trong giai đoạn khai thác, nhiệt độ là yếu tố có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và tuổi thọ của KCMĐ này. Từ đó cho thấy đề tài “Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu
2 vực Quảng Nam – Đà Nẵng” là rất thiết thực, giúp dự báo chính xác phân bố nhiệt độ trong KCMĐ dưới điều kiện làm việc thực tế, cung cấp thông số nhiệt độ vật liệu phù hợp cho tính toán thiết kế KCMĐ, nhằm giảm các hiện tượng hư hỏng, nâng cao chất lượng khai thác và tăng tuổi thọ cho KCMĐ. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu phát triển mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm có cấu tạo lớp mặt BTN trên lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng (CPĐD GCXM) thuộc khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng, từ đó đánh giá ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến phân bố nhiệt độ trong KCMĐ, đồng thời làm căn cứ đề xuất nhiệt độ áp dụng trong thực tiễn công tác thiết kế, kiểm tra và đánh giá chất lượng KCMĐ, nhằm hạn chế các hư hỏng của KCMĐ dưới tác dụng của tải trọng và khí hậu thời tiết trong quá trình khai thác. Mục tiêu cụ thể như sau: - Phát triển thiết bị xác định thông số nhiệt lý vật liệu mặt đường trong phòng thí nghiệm, áp dụng xác định thông số nhiệt lý cho vật liệu BTN và CPĐD GCXM; - Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong KCMĐ thực nghiệm kích thước thật theo thời gian thực, có xét đến ảnh hưởng của thông số điều kiện khí hậu khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng; - Phát triển mô hình dự đoán nhiệt độ trong lớp mặt BTN và lớp móng CPĐD GCXM áp dụng cho khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng dựa trên kết quả quan trắc thực nghiệm và mô phỏng số; - Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày lớp mặt BTN đến phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm có lớp móng CPĐD GCXM, làm cơ sở đề xuất cấu tạo chiều dày hợp lý của lớp mặt BTN trên lớp móng CPĐD GCXM và khuyến nghị nhiệt độ tham chiếu sử dụng trong thiết kế,
3 kiểm tra và đánh giá chất lượng KCMĐ mềm khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Sự thay đổi nhiệt độ trong KCMĐ mềm gồm lớp mặt bê tông nhựa trên lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng. Phạm vi nghiên cứu: - Vật liệu đá dăm và cấp phối đá dăm các loại tại mỏ đá Hòa Nhơn thành phố Đà Nẵng; - KCMĐ gồm lớp mặt BTN chặt 12,5 dày 13 cm, lớp móng trên CPĐD Dmax31,5 gia cố 4% xi măng dày 15 cm, lớp móng dưới CPĐD loại 1 Dmax 37,5 dày 15 cm và nền đường á cát; - Khí hậu tỉnh Quảng Nam lấy tại trạm khí tượng Tam Kỳ và khí hậu thành phố Đà Nẵng lấy tại đài khí tượng Trung trung bộ ở địa chỉ 660 Trưng Nữ Vương. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp phân tích, thống kê kết hợp nghiên cứu lý thuyết; - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm; - Phương pháp mô phỏng số. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học của luận án: - Luận án xây dựng phương pháp tiếp cận trong nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm, áp dụng cụ thể cho khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng; đồng thời chỉ ra được ảnh hưởng của nhiệt độ đến thông số nhiệt lý vật liệu mặt đường và phân bố nhiệt độ trong KCMĐ;
4 - Phát triển mô hình dự báo phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm có lớp móng CPĐD GCXM khu vực khí hậu Quảng Nam-Đà Nẵng, dựa trên các phương pháp phân tích hồi quy phi tuyến, mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và mô phỏng bằng phần mềm ANSYS; đồng thời có thể mở rộng nghiên cứu cho các loại KCMĐ sử dụng vật liệu khác nhau, ở các vùng khí hậu khác nhau. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: - Phát triển được thiết bị cho phép xác định được các thông số nhiệt lý vật liệu mặt đường giúp cho việc dự báo phân bố nhiệt độ trong KCMĐ chính xác hơn. Thiết bị phù hợp với các loại vật liệu mặt đường và kích cỡ mẫu thí nghiệm chế bị theo các phương pháp chế bị mẫu đang được sử dụng hiện nay. Đây là thiết bị hoàn toàn mới tại Việt Nam, hiện đang được nhóm nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện và tiến hành các thủ tục đăng ký thương mại hóa; - Luận án đề xuất nhiệt độ tham chiếu để các đơn vị có liên quan có thể xem xét lựa chọn nhiệt độ sử dụng trong tính toán thiết kế kết cấu nền mặt đường thuộc khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng, đồng thời kiến nghị xem xét sử dụng mô hình dự báo nhiệt độ để dự báo nhiệt độ mặt đường khi thực hiện thí nghiệm mô đun đàn hồi KCMĐ mềm. 6. Cấu trúc của luận án Luận án có cấu trúc gồm có phần Mở đầu, 4 chương (Chương 1- 27 trang, chương 2-22 trang, chương 3-31 trang, chương 4-38 trang), kết luận và kiến nghị, 26 bảng biểu, 55 hình vẽ, mục lục. Tổng luận án được trình bày trong 127 trang A4 không kể phụ lục.
5 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHÂN BỐ NHIỆT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG BẰNG VẬT LIỆU GIA CỐ XI MĂNG 1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc điểm làm việc của kết cấu mặt đường mềm có lớp móng sử dụng vật liệu gia cố xi măng Trong quá trình khai thác KCMĐ này thường xuất hiện hiện tượng nứt phản ảnh, vết nứt bắt đầu từ mặt tiếp xúc giữa lớp móng gia cố xi măng và lớp mặt bê tông nhựa và phát triển lên phía trên. Khi vết nứt xuất hiện trong lớp móng gia cố và độ mở rộng đạt đến một mức độ nhất định sẽ ứng xử như một khe nối và ứng suất tập trung ở đáy lớp BTN sẽ xuất hiện tại vị trí này. Sự co giãn của lớp móng GCXM do ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ hay sự tác dụng của tải trọng nặng có thể làm cho chiều rộng của các khe nứt tăng lên. Khi ứng suất kéo ở đáy lớp BTN vượt quá cường độ chịu kéo cho phép, làm xuất hiện vết nứt phản ảnh. Ngoài ra, lớp mặt BTN của KCMĐ này rất nhạy cảm với nhiệt độ. Trị số mô đun đàn hồi của lớp BTN phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc thực tế. Do đó, nhiệt độ thay đổi có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng mặt đường BTN như nứt do nhiệt độ thấp, hằn lún do nhiệt độ cao, …. Do vậy, việc xác định phân bố nhiệt độ trong KCMĐ sẽ giúp cung cấp cơ sở dữ liệu cho việc nghiên cứu ứng xử của KCMĐ này dưới sự ảnh hưởng của nhiệt độ. Giúp hạn chế hiện tượng hư hỏng cho KCMĐ này. 1.2. Cơ sở lý thuyết truyền nhiệt trong kết cấu mặt đường Do KCMĐ có kích thước theo phương ngang và phương dọc lớn hơn nhiều so với chiều sâu nên sự truyền nhiệt của KCMĐ có thể xem là “truyền nhiệt một chiều” [12,14].
6 Phương trình truyền nhiệt một chiều cho KCMĐ nhiều lớp được viết dưới dạng như sau:  𝑖 𝜕 2 𝑇𝑖 (𝑧, 𝑡) 𝜕𝑇𝑖 (𝑧, 𝑡) 2 = 𝑧 𝑖−1 < 𝑧 < 𝑧 𝑖 , 𝑡 > 0 (1.1) 𝜌𝑖 𝑐𝑖 𝜕𝑧 𝜕𝑡 Trong đó: Ti(z,t) - trường nhiệt độ ở lớp thứ i (0C); z - khoảng cách từ mặt đường đến độ sâu cần quan trắc (m); t - thời gian (s); i - độ dẫn nhiệt của lớp thứ i (W/(m.oC)); i - khối lượng thể tích của lớp thứ i, (kg/m3); Ci - nhiệt dung riêng của lớp thứ i (J/(kg. oC )). Dòng nhiệt tại bề mặt KCMĐ có thể được đo trực tiếp hoặc được xác định thông qua các dòng nhiệt đến và đi tại bề mặt KCMĐ như phương trình (1.4) 𝜕𝑇1 (𝑧,𝑡) 1 | = 𝑞 𝑠 − 𝑞𝑙 − 𝑞 𝑐 (1.4) 𝜕𝑧 𝑧=0 Trong đó: 1 - độ dẫn nhiệt của lớp thứ 1 (W/(m. oC)); qs - bức xạ mặt trời thực tế được KCMĐ hấp thụ (W/m2); ql - bức xạ sóng dài của KCMĐ phát ra môi trường xung quanh (W/m2); qc - dòng nhiệt đối lưu (W/m2). 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong kết cấu mặt đường
7 1.3.1. Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu Điều kiện khí hậu ảnh hưởng đến dòng nhiệt tại bề mặt của KCMĐ như thể hiện ở phương trình (1.4). 1.3.2. Ảnh hưởng của tính chất vật liệu Ngoài độ phản xạ và độ phát xạ bề mặt của KCMĐ, nhiều nghiên cứu đã cho thấy nhiệt độ của KCMĐ chịu ảnh hưởng bởi các đặc tính nhiệt của vật liệu làm KCMĐ [31,34], bao gồm: Độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và độ khuếch tán nhiệt. Độ phản xạ và độ phát xạ của bề mặt KCMĐ ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt bức xạ giữa KCMĐ và môi trường xung quanh, trong khi đó các đặc tính nhiệt của vật liệu KCMĐ ảnh hưởng đến sự truyền dẫn nhiệt bên trong KCMĐ. Đây là các thông số có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ. 1.4. Các nghiên cứu dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ Nghiên cứu dự đoán nhiệt độ trong KCMĐ có thể chia thành hai hướng nghiên cứu: (i) Hướng nghiên cứu dựa trên lời giải của lý thuyết truyền nhiệt gồm có phương pháp giải tích và phương pháp số (sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn). Với hướng này phương pháp phần tử hữu hạn có nhiều ưu điểm và ngày càng được cân nhắc sử dụng. Hầu hết các hãng phần mềm thương mại đều sử dụng phương pháp này; (ii) Hướng nghiên cứu theo phương pháp thực nghiệm thống kê gồm: Hồi quy tuyến tính, hồi quy phi tuyến, mạng nơron nhân tạo (ANN). Với hướng này chủ yếu dự đoán nhiệt độ cho riêng lớp BTN, hồi quy phi tuyến mô tả được tổng quát trường nhiệt độ phân bố trong BTN nên phù hợp cho việc xây dựng mô hình dự đoán tổng quát theo độ sâu và thời gian trong lớp BTN. Mô hình ANN là một hướng tiếp cận mới trong lĩnh vực dự đoán phân bố nhiệt độ và hứa hẹn sẽ mang lại kết quả khả quan nên cũng cần được tập trung để nghiên cứu.
8 1.5. Kết luận chung Kết quả tổng quan cho thấy, chưa tìm thấy nghiên cứu về sự phân bố nhiệt cho KCMĐ gồm lớp mặt BTN trên lớp móng CPĐD GCXM, mặc dù ảnh hưởng của nhiệt độ là rất đáng kể đối với các lớp vật liệu này. Nhiệt độ KCMĐ thay đổi theo không gian và thời gian, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu của từng vùng. Việc áp dụng các mô hình nghiên cứu đã được các tác giả trên thế giới thực hiện vào điều kiện khí hậu của Việt Nam là khó khả thi, cần được xem xét. Các mô hình thực nghiệm được phát triển dựa trên phân tích thống kê từ số liệu quan trắc nhiệt độ của KCMĐ và điều kiện khí hậu cụ thể nên dù có độ chính xác cao, cũng không thể áp dụng cho các KCMĐ có các đặc tính nhiệt lý của vật liệu, bề dày vật liệu hay điều kiện khí hậu khác với mô hình thực nghiệm. Với sự phát triển các công cụ tính toán hiện đại, để tiết kiệm chi phí và thời gian có thể kết hợp nghiên cứu thực nghiệm với mô phỏng số để mô hình dự đoán có phạm vi ứng dụng rộng rãi hơn. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG 2.1. Khái quát về nghiên cứu xác định thông số nhiệt lý của vật liệu kết cấu mặt đường Một số nghiên cứu của các tác giả Chen và cộng sự, Côté và Konrad, Hassn và cộng sự, Luca và Mrawira, Yan và cộng sự [36– 38,71,72] đã chỉ ra các thông số nhiệt lý của vật liệu có giá trị thay đổi lớn vì phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như đặc điểm hóa học của vật liệu, cấp phối hạt, độ rỗng dư, độ chặt vật liệu, trạng thái vật lý của vật
9 liệu,…Hiện nay, việc xác định thông số nhiệt lý của vật liệu KCMĐ gặp nhiều khó khăn do vật liệu KCMĐ chủ yếu là vật liệu dạng hạt không đồng nhất có kích cỡ hạt lớn. Các phương pháp thí nghiệm xác định thông số nhiệt lý vật liệu thông thường được thiết kế cho các vật liệu đồng nhất và kích thước mẫu thí nghiệm nhỏ không phù hợp với vật liệu KCMĐ [76–79]. Hơn nữa, các thiết bị được phát triển trước đây để xác định thông số nhiệt lý KCMĐ vẫn còn những nhược điểm liên quan đến nguồn cung cấp nhiệt không đều (sử dụng cuộn dây hoặc đường ống nên nhiệt sẽ tiếp xúc không đều với bề mặt vật liệu) [80,81]. 2.2. Phát triển thiết bị thí nghiệm xác định độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt của vật liệu KCMĐ 2.2.1. Nguyên lý chế tạo thiết bị Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý chế tạo thiết bị độ dẫn nhiệt Thiết bị được chế tạo theo nguyên lý bài toán truyền nhiệt 1 chiều ổn định theo thời gian. Dòng nhiệt truyền theo phương dọc mẫu. 2.2.2. Mô tả thiết bị Bộ thiết bị được cấu tạo gồm các bộ phận chính như sau: (1) Bộ phận gia nhiệt tại mặt mẫu (tấm nóng và bộ điều khiển tấm nóng); (2) Bộ phận thu nhận dữ liệu (Bộ đọc dữ liệu và cảm biến nhiệt Type K);
10 (3) Hộp đựng mẫu; (4) Tấm lạnh ở đáy mẫu (Tấm lạnh và bộ điều khiển tấm lạnh); (5) Máy tính hiển thị kết quả. Chi tiết thiết bị thể hiện ở Hình 2.2 Với thí nghiệm độ dẫn nhiệt, đáy mẫu sẽ được gắn với tấm lạnh được kiểm soát nhiệt độ. Với thí nghiệm độ khuếch tán nhiệt, tấm lạnh sẽ được thay bằng tấm đáy cách nhiệt. 2.2.3. Hiệu chuẩn thiết bị đo Thiết bị đã được hiệu chuẩn bộ đọc nhiệt kế với thiết bị thương mại TDS 303, bộ đọc công suất được hiệu chỉnh với thiết bị thương mại Lab – Volt. Ngoài ra kết quả kiểm định độc lập từ Công ty cổ phần dịch vụ Kiểm định Hiệu chuẩn đo lường Miền trung cho kết quả đảm bảo độ tin cậy 95%. 2.2.4. Thí nghiệm xác định độ dẫn nhiệt 2.2.4.1. Trình tự thí nghiệm Quy trình thử nghiệm được tóm tắt như sau: Bước 1: Chuẩn bị mẫu và khoan hai lỗ ở hai phía đối diện của mẫu để lắp đặt cảm biến nhiệt độ; Bước 2: Phủ một lớp keo tản nhiệt mỏng lên bề mặt phẳng phía trên của mẫu được thử nghiệm để đảm bảo truyền nhiệt đồng đều từ tấm nóng sang mặt mẫu; Bước 3: Đặt mẫu thí nghiệm vào hộp mẫu; Bước 4: Chèn cảm biến nhiệt vào các lỗ đã khoan và lấp đầy khoảng
11 trống bằng keo tản nhiệt để đảm bảo nhiệt độ liên tục xung quanh cảm biến nhiệt; Bước 5: Cài đặt công suất nhiệt vào thiết bị gia nhiệt và cố định nhiệt độ nhất định cho tấm làm mát trong thời gian 4 giờ; Bước 6: Ghi dữ liệu nhiệt độ để tính toán độ dẫn nhiệt. 2.2.4.2. Tính toán kết quả Theo Joseph Luca [76], độ dẫn nhiệt được tính theo công thức (2.1): 𝑄.𝑧 𝑄.𝑧 𝜆= = (2.1) 𝐹.𝛥𝑇 𝐹.(𝑇 𝑠𝑢𝑟 −𝑇 𝑧 ) Trong đó: Q - năng lượng nhiệt cung cấp cho tấm nóng (W); z - khoảng cách thẳng đứng từ mặt mẫu đến vị trí cảm biến nhiệt (m); T sur - nhiệt độ bề mặt trên cùng của mẫu khi đạt đến trạng thái nhiệt độ ổn định (oC); Tz - nhiệt độ ở độ sâu z khi dòng nhiệt ổn định (oC); F - diện tích mặt cắt ngang mẫu (m2). 2.2.5. Thí nghiệm xác định độ khuếch tán nhiệt () 2.2.5.1. Trình tự thí nghiệm Đối với thí nghiệm độ khuếch tán nhiệt, quy trình thực hiện thí nghiệm gần tương tự với thí nghiệm độ dẫn nhiệt. Tuy nhiên, một trị số nhiệt độ cố định sẽ được cài đặt cho tấm nóng thay vì sử dụng công suất cố định, thời gian duy trì nhiệt độ thí nghiệm trong 2 giờ, đồng thời tấm lạnh sẽ được thay bằng đáy cách nhiệt. 2.2.5.2. Tính toán kết quả Độ khuếch tán nhiệt được xác định bằng cách so sánh chênh lệch nhiệt độ giữa việc tính toán dự đoán nhiệt độ theo lý thuyết truyền nhiệt một chiều và đo thực nghiệm. Chênh lệch giữa nhiệt độ T(z,t) ở độ sâu z của mẫu và nhiệt độ bề mặt trong một thời gian nhất định t được xác định theo phương trình giải tích được Özivik (1985) [83], như sau: 4 (−1) 𝑛+1 𝑇(𝑧, 𝑡) − 𝑇 𝑠𝑢𝑟 = (𝑇0 − 𝑇 𝑠𝑢𝑟 ) ∑ ( 𝑛=1 exp(−2𝑛 𝑡) cos( 𝑛 (ℎ − 𝑧))) (2.2) 𝛱 2𝑛−1
12 Với,  𝑛 = (2𝑛−1) 2ℎ (2.3) Trong đó: T0 - nhiệt độ ban đầu (t = 0) của mẫu ở vị trí z ( C); Tsur - o nhiệt độ bề mặt không đổi trên mặt mẫu tại z = 0 (oC); α - hệ số khuếch tán nhiệt, (m2/s); h - chiều cao mẫu (m); t - thời gian duy trì nhiệt độ ổn định trên bề mặt (s). Các hệ số khuếch tán nhiệt khác nhau được giả định để tính T(z,t) bằng phương trình (2.2). Độ khuếch tán nhiệt thu được là giá trị tại đó sai số trung bình bình phương gốc (RMSE) giữa nhiệt độ tính toán (Tcal) và nhiệt độ đo được (Tmea) có giá trị nhỏ nhất. RMSE được xác định như phương trình (2.4): 1 𝑛 𝑅𝑀𝑆𝐸 = √ ∑ 𝑘=1(𝑇 𝑚𝑒𝑎 − 𝑇 𝑐𝑎𝑙 )2 (2.4) 𝑛 2.3. Thí nghiệm xác định độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt của vật liệu bê tông nhựa và cấp phối đá dăm gia cố xi măng trong phòng thí nghiệm Mẫu bê tông nhựa chặt 12,5 và CPĐD Dmax 31,5 GCXM 4% được khoan từ đoạn thi công thử nghiệm quan trắc nhiệt độ KCMĐ thực tế trong khuôn viên trường ĐH Bách khoa -ĐHĐN. Sau khi thí nghiệm cho kết quả giá trị độ dẫn nhiệt và độ khuếch tán nhiệt như Hình 2.9 và Hình 2.12. Kết quả cho thấy độ dẫn nhiệt và độ khuếch tán nhiệt có tương quan thuận với nhiệt độ bề mặt mẫu Tsur trong khoảng nhiệt độ Tsur=30 oC đến 70oC. Sau khi thí nghiệm độ dẫn nhiệt và độ khuếch tán nhiệt của vật liệu BTN và CPĐD GCXM, xác định được thông số nhiệt dung riêng của vật liệu. 2.4. Kết luận chương 2 Phát triển được thiết bị xác định thông số nhiệt lý cho vật liệu KCMĐ có tính toàn khối (BTN, CPĐD GCXM,…). Thiết bị xác định
13 thông số nhiệt lý này có ưu điểm: xét được ảnh hưởng của nhiệt độ khi vật liệu KCMĐ làm việc thực tế; mẫu thí nghiệm có thể được chế tạo theo phương pháp Marshall hay Proctor hoặc khoan tại hiện trường. Thí nghiệm thông số nhiệt lý của BTN và CPĐD GCXM từ mẫu khoan hiện trường của mô hình quan trắc nhiệt độ thực tế được giá trị độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt của 2 loại vật liệu này thể hiện ở Hình 2.9 và Hình 2.12. Sau đó, kết quả được sử dụng để tính toán nhiệt dung riêng của 2 loại vật liệu này. Hình 2.9. Tương quan giữa độ dẫn Hình 2.12. Tương quan giữa độ khuếch nhiệt và nhiệt độ bề mặt mẫu Tsur tán nhiệt và nhiệt độ bề mặt mẫu Tsur CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUAN TRẮC NHIỆT ĐỘ TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG CPĐD CỐ XI MĂNG 3.1. Mô hình thực nghiệm Mô hình thực nghiệm được xây dựng có kích thước 2m x 6m, được xây dựng trong khuôn viên trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng. Kết cấu mặt đường thực nghiệm gồm lớp mặt BTN chặt 12,5 dày 13 cm đặt trên lớp móng cấp phối đá dăm Dmax31,5 gia cố 4% xi
14 măng dày 15cm và lớp móng dưới cấp phối đá dăm loại 1 Dmax37,5 dày 15 cm và lớp nền á cát như thể hiện ở Hình 3.1. 3.2. Vật liệu Tất cả các loại vật liệu BTN 12,5, cấp phối đá dăm Dmax31,5 gia cố 4% xi măng và cấp phối đá dăm loại 1 Dmax37,5 đã được thí nghiệm kiểm tra và đạt yêu cầu theo các tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu các lớp vật liệu này. Hình 3.1. Mô hình KCMĐ thực nghiệm quan trắc nhiệt độ 3.3. Xây dựng mô hình thực nghiệm 3.3.1. Thi công kết cấu mặt đường
15 Một số hình ảnh thi công và bảo dưỡng các lớp vật liệu được thể hiện ở Hình 3.4. Sau khi thi công tiến hành thí nghiệm độ chặt nền đất và chất lượng các lớp vật liệu. Kết quả cho thấy việc lu lèn nền đất và thi công các lớp vật liệu đạt yêu cầu. 3.3.2. Thiết kế và hiệu chỉnh thiết bị quan trắc nhiệt độ KCMĐ Thiết bị được hiệu chỉnh tương tự bộ đọc đo nhiệt độ của thiết bị đo trong phòng thí nghiệm như chương 2. Sơ đồ tổng quát hoạt động thiết bị thể hiện ở Hình 3.5. 3.3.3. Lắp đặt thiết bị
16 Cảm biến nhiệt được lắp đặt để theo dõi nhiệt độ trong lớp CPĐD GCXM ở giai đoạn bảo dưỡng 14 ngày, theo 3 phương pháp khác nhau (bao bố tưới ẩm, vải địa tưới ẩm và nhũ tương) ở độ sâu 4cm, 8cm và 12cm. Ở giai đoạn thi công và bảo dưỡng xong, cảm biến nhiệt được lắp đặt tại các độ sâu cách bề mặt lớp BTN lần lượt là 0cm, 2 cm, 5 cm, 7 cm, 10 cm, 13 cm và cách bề mặt lớp CPDD GCXM lần lượt là 3 cm, 6 cm, 9 cm, 12 cm và 15 cm (xem Hình 3.6). Cuối cùng, tiến hành quan trắc nhiệt độ KCMĐ với tần suất đọc dữ liệu 10 phút/lần. Thời gian quan trắc từ ngày 18/01/2021 đến ngày 23/12/2021 3.4. Kết quả quan trắc và bàn luận 3.4.1. Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến phân bố nhiệt độ trong lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng Hình 3.8 cho thấy, phương sai nhiệt độ theo các phương pháp bảo dưỡng khác nhau cũng có sự khác biệt, phương pháp bao bố tưới ẩm có khoảng tứ phân vị ngắn nhất, dao động quanh nhiệt độ trung bình
17 khoảng 1°C đến 2°C, trong khi phương pháp nhũ tương nhựa đường có khoảng tứ phương vị khá rộng, dao động quanh nhiệt độ trung bình khoảng 3 đến 6°C tùy độ sâu. Điều này có thể giải thích do ảnh hưởng của việc tưới nước hàng ngày và khả năng duy trì độ ẩm trên bề mặt CPĐD GCXM của phương pháp bao bố tưới ẩm và vải địa tưới ẩm trong thời gian bảo dưỡng. Ngược lại, bề mặt màu đen của nhũ tương phần nào đã làm tăng khả năng hấp thụ nhiệt từ cường độ bức xạ mặt trời và làm tăng nhiệt độ của CPĐD GCXM so với nhiệt độ không khí. 3.4.3. Phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường quan trắc Hình 3.14a. Diễn biến nhiệt tại các độ sâu trong lớp BTN và CPĐD GCXM Hình 3.14a và Hình 3.15a cho thấy nhiệt độ trong KCMĐ thay đổi theo không gian (độ sâu quan trắc trong KCMĐ) và thời gian trong ngày. Quan hệ giữa nhiệt độ với độ sâu cách bề mặt (Depth) và thời gian trong ngày (Time) là quan hệ phi tuyến. Vì vậy, để dự đoán được trường phân bố nhiệt độ trong KCMĐ, các mô hình dự báo phải có sự xuất hiện của biến độ sâu (Depth) và biến thời gian (Time). Nhiệt độ trung bình lớp BTN trong cả năm khoảng 35oC.
18 Hình 3.15a. Thống kê toàn bộ nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo độ sâu CHƯƠNG 4: PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT VÀ ĐỀ XUẤT NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, KIỂM TRA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG KHU VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG 4.1. Đặc điểm khí hậu khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng Quảng Nam nằm ở vùng Trung Bộ của Việt Nam. Tọa độ địa lý của Quảng Nam nằm trong khoảng 14,45o đến 16,05o vĩ Bắc và 107,52o đến 109,27o kinh độ Đông. Đà Nẵng nằm ở 15o55’ đến 16o14’ vĩ Bắc và 107o18’ kinh độ Đông. Các số liệu khí hậu (nhiệt độ không khí, độ ẩm, lượng mưa, tốc độ gió, cường độ bức xạ mặt trời) thu thập từ trung tâm khí tượng Trung trung bộ (Đà Nẵng) và trạm khí tượng Tam Kỳ của Quảng Nam. Kết quả phân tích cho thấy, giá trị nhiệt độ không khí, độ ẩm và cường độ bức xạ là các thông số biến đổi theo quy luật thời gian và có tương quan với nhiệt độ KCMĐ, các thông số còn lại mang tính ngẫu nhiên.