Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Nghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của tóm tắt luận án "Nghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt Nam" là nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng tính chất cơ học của vật liệu kết cấu áo đường mềm (nhựa đường, ma tít, BTN và đất nền) dưới tác dụng của tải trọng có tính động trong điều kiện Việt Nam. Sử dụng các kết quả thực nghiệm của vật liệu để mô phỏng và dự đoán ứng xử của một kết cấu áo đường mềm thường dùng dưới tác dụng của tải trọng xe chạy.

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 ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÙI VĂN PHÚ NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9580205 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI - 2024
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải Người hường dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Quang Tuấn Trường Đại học Giao thông Vận tải 2. PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc Trường Đại học Giao thông Vận tải Phản biện 1: GS.TS. Phạm Cao Thăng Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Hữu Trí Phản biện 3: PGS.TS. Đỗ Thắng Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi giờ ngày tháng năm 2024 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Quốc Gia Việt Nam 2. Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải
-1- MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Tải trọng xe chạy là tải trọng có tính động tức là tải trọng tác dụng lên một điểm có sự thay đổi về độ lớn và phương tác dụng theo thời gian xe chạy qua. Hơn nữa, đối với lớp móng cấp phối và lớp đất nền, mô đun độ cứng của chúng không phải là hằng số mà là hàm số của trạng thái ứng suất. Trong khi đó, đối với lớp mặt vật liệu BTN, đây là vật liệu có tính chất đàn hồi nhớt và nhạy cảm nhiệt. Ứng xử của BTN phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian tác dụng lực. Chất kết dính nhựa đường trong hỗn hợp chính là yếu tố gây ra tính chất này của vật liệu BTN. Tuy nhiên, trong phương pháp tính toán thiết kế kết cấu áo đường mềm quy định trong TCCS 38 : 2022/TCĐBVN của Việt Nam hiện hành, các giá trị mô đun của vật liệu là các giá trị mô đun tĩnh. Do đó, các giá trị này không phản ánh chính xác ứng xử của vật liệu với thực tế làm việc của chúng dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trường. Điều đó dẫn đến kết quả tính toán thiết kế kết cấu áo đường sẽ không có sự phù hợp với ứng xử thực tế của kết cấu. Ở Việt Nam, các nghiên cứu về tính chất của vật liệu của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động là khá ít. Điều đó dẫn đến các tính toán kết cấu áo đường mềm sử dụng mô đun động của các lớp vật liệu và có tính đến đặc tính đàn nhớt của vật liệu BTN cũng còn hạn chế và mới mẻ. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng tính chất cơ học của vật liệu kết cấu áo đường mềm (nhựa đường, ma tít, BTN và đất nền) dưới tác dụng của tải trọng có tính động trong điều kiện Việt Nam. Sử dụng các kết quả thực nghiệm của vật liệu để mô phỏng và dự đoán ứng xử của một kết cấu áo đường mềm thường dùng dưới tác dụng của tải trọng xe chạy. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu Các loại nhựa đường, ma tít, bê tông nhựa, đất nền và kết cấu áo đường thường được sử dụng ở Việt Nam. b) Phạm vi nghiên cứu Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu vào mô đun động của các vật liệu nhựa đường, ma tít, BTN và đất nền. Do số lượng vật liệu lớn nên đề tài không thí nghiệm nhiều loại cho cùng một vật liệu mà chỉ lấy vật liệu đặc trưng thường dùng trong thực tế để thí nghiệm. Đối với kết cấu, đề tài sẽ lựa chọn một kết cấu thường được sử dụng trong thực tế để mô phỏng và phân tích. Đề tài bao gồm cả phần nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô hình hóa. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học - Nghiên cứu tính chất của các lớp vật liệu trong kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng động để mô phỏng đúng hơn ứng xử cơ học của vật liệu và của cả kết cấu dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trường. - Hệ số Poát xông phức động của BTN được xếp vào danh sách những yếu tố ảnh hưởng lớn đến việc dự đoán các ứng xử của kết cấu áo đường mềm. Vì vậy, việc mô tả đúng tính chất của hệ số Poát xông của hỗn hợp BTN là rất cần thiết để cải thiện công tác dự đoán các hư hỏng của kết cấu áo đường mềm. b) Ý nghĩa thực tiễn - Đề tài đã khắc phục những hạn chế về thiết bị để có thể thực hiện được những thí nghiệm phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao. Đây có thể được coi là tiền đề cho những nghiên cứu khác cùng lĩnh vực trong tương lai. - Kết quả thực nghiệm thu được của đề tài có giá trị tham khảo cao, góp phần vào công tác áp dụng phương pháp tính toán thiết kế áo đường mềm tiên tiến của thế giới vào điều kiện Việt Nam. - Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của đề tài có thể được sử dụng trong lĩnh vực
-2- nghiên cứu tại các trường Đại học. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG 1.1. Ứng xử của nhựa đường, ma tít và bê tông nhựa dưới tác dụng tải trọng động 1.1.1. Nhựa đường và ma tít 1.1.1.1. Nhựa đường Các nghiên cứu về nhựa đường trên thế giới thường nhấn mạnh đến tính chất lưu biến của vật liệu. Nghiên cứu về tính chất lưu biến được định nghĩa là nghiên cứu các đặc tính biến dạng của vật liệu ở dạng lỏng hoặc rắn về độ đàn hồi và độ nhớt. Khi nghiên cứu về khía cạnh này, nhựa đường là một chất lỏng dẻo nhiệt có ứng xử đàn nhớt, hoạt động như chất rắn đàn hồi ở nhiệt độ thấp (hoặc thời gian tác dụng lực ngắn - tần số tác dụng lực lớn) hoặc như chất lỏng nhớt ở nhiệt độ cao (hoặc thời gian tác dụng lực dài - tần số tác dụng lực nhỏ). Thí nghiệm cắt động lưu biến DSR hoặc thí nghiệm DMA là những thí nghiệm được sử dụng rộng rãi trên thế giới để xác định tính chất đàn hồi, đàn hồi nhớt và nhớt của nhựa đường trong miền đàn nhớt tuyến tính và trên một khoảng rộng nhiệt độ và tần số. Trong thí nghiệm này, hai tham số đặc trưng cho tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường được xác định là mô đun phức động |E*| (hoặc mô đun cắt động |G*|) và góc trễ pha φ. 1.1.1.2. Ma tít Ma tít át phan là hỗn hợp của nhựa đường và bột khoáng có cỡ hạt lọt qua mắt sàng 63 𝜇m theo định nghĩa của tiêu chuẩn Châu Âu. Ý tưởng là, vật liệu đóng vai trò làm chất kết dính các hạt cốt liệu trong hỗn hợp BTN không phải là nhựa đường mà trước hết nhựa đường sẽ liên kết với các phần tử mịn nhất của cấp phối cốt liệu tạo thành ma tít và chính ma tít này sẽ đóng vai trò là chất kết dính của hỗn hợp BTN. Ma tít có ảnh hưởng mạnh mẽ đến ứng xử cơ học của hỗn hợp BTN. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã hướng tới việc nghiên cứu tính chất của ma tít với mục đích tạo cầu nối chuyển tiếp giữa đặc tính của nhựa đường với ứng xử của BTN. Ảnh hưởng của bột khoáng có thể được xác định một cách trực tiếp hơn ở ma tít so với trong hỗn hợp BTN. 1.1.2. Bê tông nhựa Hỗn hợp bê tông nhựa nóng là hỗn hợp bao gồm các cốt liệu (đá dăm, cát và bột khoáng) có tỷ lệ phối trộn xác định, được sấy nóng và trộn đều với nhau, sau đó được trộn với nhựa đường theo tỉ lệ được thiết kế. BTN được biết đến như vật liệu đàn nhớt và nhạy cảm nhiệt. Nhựa đường chính là thành phần vật liệu gây ra tính chất này của BTN. Tính chất đàn nhớt tuyến tính của BTN có thể được mô tả bởi mô đun phức động E*() trong miền tần số được xác định bằng thí nghiệm mô đun phức động hoặc hàm từ biến J(t) trong miền thời gian được xác định bằng thí nghiệm từ biến. Mặc dù mối quan hệ trong trường hợp 1D (chỉ xác định biến dạng dọc trục) giữa mô đun phức động E*() và hàm từ biến J(t) đã được nhiều tác giả nghiên cứu nhưng vẫn còn thiếu những nghiên cứu về mối quan hệ giữa thí nghiệm mô đun phức động và thí nghiệm từ biến trong trường hợp 3D (xác định cả biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông). 1.1.3. Thí nghiệm mô đun phức động của nhựa đường, ma tít và bê tông nhựa 1.1.3.1. Thí nghiệm mô đun phức động Tác dụng một tải trọng hình sin 𝜎(t) = σ0sin(ωt) lên mẫu thí nghiệm, biến dạng thu được ε(t) = ε0sin(ωt − φE) cũng có dạng hình sin nhưng trễ pha một góc φE do tính nhớt của vật liệu (Hình 1- 3). Mô đun phức động được tính toán theo công thức: 𝜎∗ 𝜎0 𝑒 𝑗𝜔𝑡 𝜎0 𝑗𝜑 𝐸∗ = ∗ = = 𝑒 𝐸 (1-5) 𝜀 𝜀0 𝑒 𝑗(𝜔𝑡−𝜑 𝐸) 𝜀0
-3- Mô đun động |E*| được xác định như sau: 𝜎0 | 𝐸∗| = (1-6) 𝜀0 1.1.3.2. Hệ số Poát xông phức động Trong phòng thí nghiệm, để đo đạc hệ số Poát xông của BTN, ngoài biến dạng dọc trục, biến dạng nở hông cũng phải được đo đạc (gọi là thí nghiệm 3 chiều - 3D). Hệ số Poát xông được định nghĩa là tỉ số âm của biến dạng nở hông và biến dạng dọc trục. Ở Việt Nam, hiện chưa có nghiên cứu thực nghiệm nào xác định và đánh giá được hệ số Poát xông của BTN cho một dải tần số và nhiệt độ khác nhau cũng như xác định và đánh giá hệ số Poát xông trong thí Hình 1-3. Ứng suất - biến dạng dưới tác dụng nghiệm từ biến. của tải trọng động 1.1.4. Thí nghiệm từ biến Từ biến là sự phát triển của biến dạng theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng không đổi. Trong thí nghiệm từ biến, tải trọng tĩnh được tác dụng lên mẫu thí nghiệm và xác định sự phát triển của biến dạng theo thời gian tác dụng lực. Sau đó, hàm từ biến được xác định bởi công thức sau: 𝜀(𝑡) J(t) = (1-12) 𝜎0 Trong đó: J(t) là hàm từ biến; t là thời gian; 𝜀(t) là hàm của biến dạng theo thời gian; 𝜎0 là ứng suất tác dụng. 1.1.5. Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số Mô đun phức động E* là hàm của hai biến số là tần số f và nhiệt độ T. Một giá trị của mô đun có thể xác định ở nhiều cặp tần số và nhiệt độ (f, T) khác nhau. Điều đó có nghĩa là E*(ω1, T1) = E*(ɷ2, T2) với (ω1, T1) ≠ (ɷ2, T2). Đặc tính này của vật liệu được gọi là nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số. Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số cho phép biểu diễn mô đun phức động và góc lệch pha là hàm của một biến duy nhất là tần số nhiệt độ: E*(ωg(T)). Từ tính chất này của vật liệu có thể xây dựng đường cong (log|E*|, log(fref)) duy nhất tại một nhiệt độ tham chiếu Tref lựa chọn ngẫu nhiên như ví dụ trên Hình 1-7 và Hình 1-8. Đường cong nhận được gọi là đường cong đặc trưng của vật liệu (Master Curve). Việc xây dựng đường cong đặc trưng này nhằm dự đoán các tính chất của vật liệu ở các cặp tần số - nhiệt độ khác nhau không được làm thí nghiệm. Hình 1-7. Đường cong đặc trưng của mô Hình 1-8. Đường cong đặc trưng góc lệch pha đun cắt động tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C Hệ số dịch chuyển đường mô đun đẳng nhiệt ở nhiệt độ T về nhiệt độ tham chiếu Tref được kí hiệu là aT. Khi đó: E*(ω, T) = E*(aT ω, Tref) (1-13)
-4- Hệ số dịch chuyển aT định nghĩa như sau: 𝑓(𝑇 𝑟𝑒𝑓 ) 𝑎𝑇= với 𝑎 𝑇 𝑟𝑒𝑓 = 1 𝑓(𝑇) Hệ số dịch chuyển aT là tham số chỉ phụ thuộc vào yếu tố nhiệt độ. Quy tắc Williams, Landel và Ferry (WLF) thường dùng để mô phỏng giá trị aT theo nhiệt độ T (Hình 1-9). Quy tắc này giúp xác định được hệ số aT tại nhiệt độ bất kỳ và do đó có thể xây dựng đường cong đặc trưng của vật liệu tại nhiệt độ tham Hình 1-9. Quy luật WLF tại nhiệt độ chiếu bất kỳ. tham chiếu Tref = 25°C 1.1.6. Mô hình dự đoán tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và bê tông nhựa 1.1.6.1. Mô hình Maxwell Mô hình Maxwell gồm một lò xo đàn hồi tuyến tính có mô đun đàn hồi E và một piston nhớt tuyến tính có độ nhớt 𝜂 được lắp nối tiếp với nhau như trên Hình 1-12. Hàm từ biến của mô hình: 1 t 𝐽( 𝑡) = + (1-17) 𝐸 𝜂 Mô đun phức động của mô hình: iωτ E𝜔2 𝜂2 +𝑖𝐸 2 ωη 𝐸 ∗ ( 𝜔) = E = (1-18) 1+iωτ 𝐸 2 +𝜔2 𝜂2 Trong đó t là thời gian; τ là thời gian đặc trưng: 𝜂 Hình 1-12. Mô hình 𝜏= (1-19) 𝐸 Maxwell 1.1.6.2. Mô hình Kelvin - Voigt Mô hình Kelvin – Voigt gồm một lò xo đàn hồi tuyến tính có mô đun đàn hồi E và một piston nhớt tuyến tính có độ nhớt 𝜂 được lắp song song với nhau như trên Hình 1-13. Hàm từ biến của mô hình: 𝑡 1 𝐽(𝑡) = (1 − 𝑒 − 𝜏 ) (1-20) 𝐸 Với τ là thời gian đặc trưng như công thức (1-19). Hình 1-13. Mô hình Mô đun phức động của mô hình: Kelvin – Voigt ∗( ) 𝐸 𝜔 = 𝐸 + 𝑗𝜔𝜂 (1-21) 1.1.6.3. Mô hình Maxwell tổng quát Mô hình Maxwell tổng quát được xây dựng từ một số lượng hữu hạn các phần tử mô hình Maxwell lắp ghép song song với nhau (Hình 1-14). Mô đun phức động của mô hình được tính bởi công thức (1-23) 𝑛 𝑖𝜔𝜏 𝑖 𝐸 ∗ (𝜔) = 𝐸0 + 𝑗𝜔𝜂00 + ∑ 𝑖=1 𝐸 𝑖 (1-23) Hình 1-14. Mô hình Maxwell tổng quát 1+𝑖𝜔𝜏 𝑖 1.1.6.4. Mô hình Kelvin – Voigt tổng quát Mô hình Kelvin – Voigt tổng quát được tạo thành từ số lượng hữu hạn các phần tử Kelvin – Voigt ghép nối tiếp nhau và có thể thêm một phần tử lò xo hoặc piston nhớt như trên Hình 1-15. Hàm từ biến của mô hình: 𝑡 1 𝑛 1 − 𝐽( 𝑡 ) = + ∑ 𝑖=1 (1 − 𝑒 𝜏𝑖 ) (1-24) 𝐸0 𝐸𝑖 Mô đun phức động của mô hình: 1 1 −1 𝐸 ∗ (𝜔) = ( 𝐸 + ∑1𝑛 ) (1-25) Hình 1-15. Mô hình Kelvin – Voigt tổng quát 00 𝐸 𝑖 +𝑗𝜔𝜂 𝑖
-5- Cả hai mô hình Maxwell tổng quát và Kelvin – Voigt tổng quát có thể mô phỏng một cách đầy đủ tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và BTN nếu có đủ số lượng cần thiết các phần tử thành phần. Tuy nhiên cũng cần lưu ý rằng khi số lượng phần tử tăng lên thì quá trình tính toán sẽ trở nên phức tạp hơn. 1.1.6.5. Mô hình Huet-Sayegh và mô hình 2S2P1D Hai mô hình này có sự tương đồng là số lượng phần tử hữu hạn và đều có chứa phần tử nhớt parabolic. Sayegh (1956) đề xuất mô hình có tên gọi là mô hình Huet-Sayegh gồm 2 phần tử lò xo và hai phần tử parabolic được sắp xếp như trên Hình 1-17. Mô hình này không có hàm từ biến và mô đun phức động của mô hình được tính theo công thức sau: 𝐸0 − 𝐸00 𝐸 ∗ ( 𝑗𝜔𝜏) = 𝐸00 + (1-31) 1 + 𝛿(𝑗𝜔𝜏 𝐸 )−𝑘 + (𝑗𝜔𝜏 𝐸 )−ℎ Trong đó: j là số phức xác định bởi j2 = -1; ω là xung động, ω = 2πfref (fref là tần số tương đương); k, h là là số mũ với 0 < k < h < 1; δ là hằng số; E0 là mô đun tức thời của mô hình được xác định khi ωτ tiến dần tới vô cùng (đối với các tần số cao và/hoặc các nhiệt độ thấp); E00 là mô đun xác định khi ωτ tiến dần về 0 (đối với các tần số thấp và/hoặc các nhiệt độ cao); τ là tham số thời gian đặc trưng, chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Mô hình Huet-Sayegh được chứng minh hoàn toàn có thể mô tả được ứng xử đàn nhớt tuyến tính của vật liệu BTN trong vùng tần số và nhiệt độ bất kỳ. Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình này là không phù hợp cho vật liệu nhựa đường ở vùng tần số thấp (hoặc nhiệt độ cao). Để khắc phục nhược điểm của mô hình Huet-Sayegh, Olard và Di Benedetto đã đề xuất mô hình 2S2P1D là sự kết hợp của các phần tử vật lý gồm 2 lò xo, 2 thành phần parabolic và 1 piston nhớt (Hình 1-18). Sự khác biệt của mô hình này so với mô hình Huet-Sayegh là sự hiện diện của một piston nhớt tuyến tính nhằm bổ sung ứng xử từ biến thích hợp trong miền nhiệt độ cao (tần số thấp) cho vật liệu nhựa đường. Mô hình này có thể mô phỏng được tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và cả các vật liệu sử dụng chất kết dính nhựa đường (ma tít và BTN) trong cả 2 trường hợp 1D và 3D trên phạm vi rộng các tần số và nhiệt độ. Mô đun phức động E* (hoặc mô đun cắt động G*) và hệ số Poát xông phức động 𝜈* của mô hình được tính theo công thức (1-32) và (1-33). ∗ 𝐸0 − 𝐸00 𝐸2𝑆2𝐷1𝑃 ( 𝑗𝜔𝜏) = 𝐸00 + (1-32) 1 + 𝛿(𝑗𝜔𝜏 𝐸 )−𝑘 + (𝑗𝜔𝜏 𝐸 )−ℎ + ( 𝑗𝜔𝛽𝜏 𝐸 )−1 𝜈0 − 𝜈00 𝜈 ∗ ( 𝜔) = 𝜈00 + (1-33) 1 + 𝛿(𝑗𝜔𝜏 )−𝑘 + (𝑗𝜔𝜏 )−ℎ + (𝑗𝜔𝛽𝜏 )−1 Trong đó: ν0 là hệ số Poát xông tức thời của mô hình được xác định khi ωτ tiến dần tới vô cùng; ν00 là hệ số Poát xông xác định khi ωτ tiến dần về 0; β là tham số được định nghĩa: η = (E0 - E00)βτ; Như vậy, tại một nhiệt độ bất kỳ, trong trường hợp 1D, mô hình 2S2P1D có 7 thông số đầu vào (E0, E00, k, h, δ, τ và β) và trong trường hợp 3D có thêm 2 thông số là ν0 và ν00. Hình 1-17. Mô hình Huet-Sayegh Hình 1-18. Mô hình 2S2P1D 1.1.7. Mô đun động MR của lớp móng cấp phối và đất đắp nền đường Dưới tác dụng của tải trọng có tính chu kì với biên độ nhỏ hơn cường độ phá hủy của vật liệu, vật liệu có tính dẻo và xuất hiện biến dạng dẻo. Cả biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi đều xảy ra ở giai đoạn đầu của lực tác dụng. Tuy nhiên, khi số lần lặp của tải trọng tăng lên, độ tăng biến dạng
-6- dẻo trong mỗi chu kỳ giảm xuống và dần dần nhỏ đi ở những chu kỳ tiếp theo. Sau một số chu kì tác dụng nhất định, biến dạng gần như phục hồi hoàn toàn. Mô đun đàn hồi động MR được xác định là tỉ số giữa độ lệch ứng suất d và biến dạng đàn hồi r khi vật liệu chịu tác dụng của tải trọng lặp có tính chu kì (Hình 1-19). 𝜎𝑑 𝑀𝑅 = (1-34) 𝜀𝑟 Hệ thống nén 3 trục được sử dụng để xác định giá trị MR của vật liệu trong phòng thí nghiệm. Quy trình thí nghiệm tuân theo tiêu chuẩn AASHTO T307. Hình 1-19. Tính chất của vật liệu rời dưới tác dụng của tải trọng lặp 1.1.8. Một số mô hình dự đoán MR 1.1.8.1. Các mô hình dựa trên trạng thái ứng suất Ví dụ như Hicks và Monismith đã đề xuất mô hình K-θ rất nổi tiếng sử dụng cho lớp móng cấp phối dựa trên ứng suất khối được mô tả theo công thức (1-35). 𝑀 𝑅 = 𝑘1 ( 𝜃 ) 𝑘2 (1-35) Trong đó: MR là mô đun động; k1 và k2 là các hằng số hồi quy phụ thuộc vào tính chất của vật liệu; θ là ứng suất khối: θ = 𝜎1+ 𝜎2 +𝜎3. 1.1.8.2. Các mô hình dựa trên các chỉ số tính chất của đất nền Ví dụ phương pháp thiết kế MEPDG đề xuất rằng mô đun động của đất nền hạt mịn có thể được dự đoán bằng cách sử dụng công thức của Heukelom và Klomp cho vật liệu có chỉ số CBR < 10%: 𝑀 𝑅 (𝑝𝑠𝑖) = 1500 𝐶𝐵𝑅 (1-41) Đối với vật liệu có CBR > 10%, công thức sau được áp dụng: 𝑀 𝑅 (𝑝𝑠𝑖) = 1500 𝐶𝐵𝑅0,65 (1-42) 1.1.8.3. Các mô hình dựa trên độ ẩm Một số mô hình được đề xuất dựa trên sự ảnh hưởng của độ ẩm tới MR. Ví dụ như Li và Selig dự đoán MR theo độ ẩm như sau: 𝑀𝑅 = 0,98 − 0,28( 𝑊 − 𝑊 𝑂𝑃𝑇 ) + 0,29( 𝑊 − 𝑊 𝑂𝑃𝑇 )2 (1-45) 𝑀 𝑅𝑂𝑃𝑇 Trong đó: MROPT là mô đun động tại độ ẩm tối ưu; W là độ ẩm sau thí nghiệm; WOPT là độ ẩm tối ưu. 1.2. Ứng xử kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng tải trọng động Cấu tạo kết cấu nền áo đường mềm thông thường gồm có lớp mặt BTN ở phía trên, lớp móng cấp phối vật liệu rời ở ngay phía dưới lớp BTN và dưới cùng là lớp đất đắp nền đường nằm ngay trên nền đất tự nhiên. Một nghiên cứu thực nghiệm của Juliette Blanc và các cộng sự năm 2017 đã sử dụng các đầu đo đặt trực tiếp trong các lớp kết cấu áo đường. Hình 1-23 là một kết quả của nghiên cứu thể hiện biến dạng thẳng đứng ở lớp đất nền đường được đo bởi 2 đầu đo biến dạng khác nhau. Kết quả cho thấy, do tính nhớt của BTN, biến dạng lớn nhất do mỗi trục cùng tải trọng gây ra là khác nhau. Nghiên cứu của Loft năm 2005 không những nghiên cứu so sánh 2 kết quả tính toán đàn hồi và tính toán đàn nhớt mà còn so sánh kết quả tính toán lý thuyết với số liệu đo đạc trên tuyến đường thực tế thu được từ các đầu đo ứng suất biến dạng được đặt dưới các lớp vật liệu của kết cấu. Hình 1-24 thể hiện kết quả tính toán theo mô hình đàn nhớt tuyến tính có sự tương đồng cả về độ lớn và xu hướng với ứng xử của kết cấu thực tế.
-7- Hình 1-23. Biến dạng theo phương đứng trên bề mặt Hình 1-24. So sánh biến dạng ngang εyy tại đáy lớp đất nền lớp BTN 1.3. Vấn đề nghiên cứu của luận án - Thí nghiệm động xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của các pha của hỗn hợp BTN từ nhựa đường đến ma tít đến BTN dưới tác dụng của tải trọng động. Dự đoán mô đun phức động của Ma tít và BTN từ thí nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường. - Thiết lập mối quan hệ định lượng giữa chỉ số phân cấp nhựa đường truyền thống là nhiệt hóa mềm được xác định bởi thí nghiệm Vòng và bi với các tham số đặc trưng cho tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường được xác định bằng thí nghiệm cắt động lưu biến (DSR) gồm mô đun cắt động |G*| và góc lệch pha φ. - Cải tiến thiết bị thí nghiệm để có thể tiến hành các thí nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính trong trường hợp 1D và 3D của BTN trên miền tần số và trên miền thời gian. Từ đó, hệ số Poát xông phức động và hệ số Poát xông từ biến được xác định. Ngoài ra, sự phát triển của biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông trong thí nghiệm từ biến 3D được tính toán và mô phỏng từ thí nghiệm mô đun phức động 3D. - Phân tích, tính toán kết cấu áo đường mềm sử dụng mô đun đàn hồi động của các lớp vật liệu và có tính đến tính chất đàn nhớt của lớp vật liệu BTN. CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA NHỰA ĐƯỜNG VÀ MA TÍT DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG Nội dung chương 2 nghiên cứu các vấn đề sau: - Thực nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và ma tít dưới tác dụng của tải trọng động. Xác thực Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ -Tần số cho các tham số của tính chất này. - Dự đoán mô đun cắt động |G*| của hỗn hợp ma tít từ tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường tương ứng. - Nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt hóa mềm – một chỉ số phân cấp nhựa đường truyền thống và tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường được đặc trưng bởi 2 tham số là mô đun cắt động và góc lệch pha được xác định bằng thí nghiệm cắt động lưu biến (DSR). 2.1. Thí nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và ma tít 2.1.1. Vật liệu thí nghiệm Vật liệu nhựa đường được sử dụng để nghiên cứu gồm có 3 loại: nhựa đường 35/50, nhựa đường 60/70 và nhựa đường polyme PMB3. Các loại ma tít sử dụng cho nghiên cứu được chế tạo bằng cách trộn các loại nhựa ở trên với các hàm lượng bột khoáng nhất định. Mỗi một loại nhựa sẽ được dùng để chế tạo 3 loại ma tít. Bảng 2-1 giới thiệu tên các loại nhựa đường và các ma tít tương ứng. Cần lưu ý rằng, số % trong tên của các loại ma tít thể hiện hàm lượng phần trăm theo thể tích của bột khoáng có trong hỗn hợp. Mỗi loại vật liệu được thực hiện trên một khoảng rộng các tần số và nhiệt độ nhằm xây dựng đường cong đặc trưng mô đun động.
-8- Bảng 2-1. Các loại nhựa đường và ma tít tương ứng Nhựa đường 60/70 Ma tít 60/70-15% Ma tít 60/70-30% Ma tít 60/70-45% Nhựa đường PMB3 Ma tít PMB3-15% Ma tít PMB3-30% Ma tít PMB3-45% Nhựa đường 35/50 Ma tít 35/50-5% Ma tít 35/50-25% Ma tít 35/50-35% 2.1.2. Thiết bị thí nghiệm 2.1.2.1. Thiết bị DSR RHEOTEST RN 4.3 Hình 2-1 mô tả thiết bị thí nghiệm cắt động lưu biến DSR RHEOTEST RN 4.3.Thiết bị được sử dụng cho vật liệu nhóm 1 (nhựa đường 60/70) và nhóm 2 (nhựa đường PMB3). Mẫu thí nghiệm có hình trụ với đường kính 8mm, dày 2mm khi nhiệt độ thí nghiệm từ 5°C – 35°C. Khi nhiệt độ thí nghiệm trên 35°C, mẫu có đường kính 25mm và dày 1mm. Hình 2-1. Thí nghiệm DSR: a) thiết bị DSR RHEOTEST RN 4.3; b) nguyên lý thí nghiệm 2.1.2.2. Thiết bị MetraviB DMA Ở các nhiệt độ thí nghiệm từ trên 20°C đến 60°C hoặc cao hơn, thí nghiệm được thực hiện dạng cắt góc (CG) trên mẫu hình trụ rỗng có chiều cao chịu cắt Hc = 5 mm, đường kính trong Dt = 8 mm, đường kính ngoài Dn = 10 mm (Hình 2-2). Ở các nhiệt độ thí nghiệm từ 20°C đến -20°C hoặc thấp hơn, thí nghiệm được thực hiện dạng K/N trên mẫu hình trụ chiều cao H = 18mm và đường kính D = 9mm (Hình 2-3). Hình 2-2. Thí nghiệm dạng cắt góc (CG) Hình 2-3. Thí nghiệm dạng kéo nén (K/N) 2.1.3. Kết quả thí nghiệm và nhận xét Từ kết quả thí nghiệm, đường cong đặc trưng của cả 3 loại nhựa đường tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25oC được xây dựng (xem Hình 2-4). Hình 2-4. Đường cong đặc trưng của |G*| của 3 Hình 2-7. Đường cong đặc trưng |G*| của loại nhựa đường nghiên cứu nhựa đường 35/50 và ma tít tương ứng
-9- Kết quả cho thấy: - Đối với nhựa đường (xem Hình 2-4), khi cùng nhiệt độ thí nghiệm, tần số tăng thì |G*| tăng và khi cùng một tần số thí nghiệm, nhiệt độ tăng thì |G*| giảm. - Đối với các loại ma tít (Hình 2-7 thể hiện ví dụ về ma tít của nhựa 35/50), có thể thấy sự ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số đến mô đun động của các ma tít giống với nhựa đường nguyên gốc, giá trị mô đun tăng khi tần số tăng (hoặc nhiệt độ giảm) và ngược lại. Mô đun động của ma tít cao hơn so với nhựa đường gốc tương ứng. Tại cùng một nhiệt độ và tần số, khi hàm lượng bột khoáng tăng lên thì giá trị mô đun động cũng tăng lên. - Hình 2-10 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số dịch chuyển aT với nhiệt độ T của quá trình dịch chuyển xây dựng đường cong đặc trưng của các nhóm vật liệu nhựa đường 35/50 và ma tít tương ứng tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C. Kết quả cho thấy, hệ số dịch chuyển của nhựa đường nguyên gốc và hỗn hợp ma tít của nó ở các hàm lượng khoáng khác nhau là xấp xỉ nhau tại các nhiệt độ thí nghiệm. Do đó, nhựa đường hoàn toàn có thể xác định hệ số aT cho hỗn hợp ma tít tương ứng của nó. Điều này phù hợp với Hình 2-10. Hệ số dịch chuyển aT của các kết quả nghiên cứu trước đây trên thế giới. nhựa đường 35/50 và ma tít tại Tref = 25°C Sử dụng phần mềm Minitab20 phân tích phương sai kết quả thí nghiệm để đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đối với kết quả thí nghiệm và độ tin cậy của mô hình thí nghiệm. Kết quả phân tích cho thấy ở tất cả các nhóm thí nghiệm, các yếu tố đầu vào đều có giá trị P-value < 0,05, các hệ số R2 điều chỉnh bằng 88,90%, 72,55% và 88,74% tương ứng với nhóm 1, 2 và 3. Điều đó chứng tỏ mô hình thí nghiệm xác định mô đun động của vật liệu là phù hợp. 2.2. Dự đoán mô đun cắt động của ma tít từ kết quả thí nghiệm đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường 2.2.1. Mô phỏng ứng xử đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường Sử dụng mô hình 2S2P1D mô phỏng mô đun cắt động |G*| của các vật liệu nhựa đường tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C. Kết quả mô phỏng được thể hiện trên Hình 2-14. Giá trị các thông số của mô hình cho các loại vật liệu cụ thể được thể hiện trong Bảng 2-4. Sử dụng phương pháp mức độ phù hợp (Goodness - of - Fit) để đánh giá kết quả mô phỏng của mô hình 2S2P1D đối với số liệu thí nghiệm. Kết quả cho thấy mô hình 2S2P1D có khả năng mô phỏng tốt đặc tính đàn nhớt tuyến tính của không những nhựa đường nguyên gốc mà cả đối với nhựa đường cải tiến trong miền biến dạng nhỏ và trên một dải rộng các tần số và nhiệt độ. Bảng 2-4. Các tham số của mô hình 2S2P2D cho các loại vật liệu Vật liệu G00 (Pa) G0 (Pa) k h δ β τ0 Nhựa đường 35/50 0 1,2E9 0,22 0,62 5 120 1,2E-05 Nhựa đường 60/70 0 1,2E9 0,2 0,61 3 70 1,6E-06 Nhựa đường PMB3 4,3E2 1,2E9 0,22 0,72 2,3 5000 2,3E-06 2.2.2. Dự đoán mô đun cắt động của ma tít từ tính chất đàn nhớt của nhựa đường Sử dụng các công thức của mô hình 2S2P1D, mối quan hệ giữa mô đun cắt động của ma tít và mô đun cắt động của nhựa đường được xây dựng và xác định theo công thức (2-19) sau: 𝐺0 𝑚𝑎 𝑡í𝑡 − 𝐺00 𝑚𝑎 𝑡í𝑡 𝐺 ∗𝑚𝑎 𝑡í𝑡 ( 𝜔𝑇) = 𝐺00 𝑚𝑎 𝑡í𝑡 + 𝐺 ∗ 𝛼 𝑏𝑖𝑡𝑢𝑚 (10 𝜔, 𝑇) (2-19) 𝐺0 𝑏𝑖𝑡𝑢𝑚 Công thức (2-19) cho phép tính toán mô đun cắt động của hỗn hợp ma tít tại một nhiệt độ nếu biết mô đun cắt động của nhựa đường tương ứng tại nhiệt độ đó với 3 yếu tố đầu vào của ma tít là G0ma tít, G00ma tít và α. Tham chuyển đổi α được xác định bằng cách khớp dữ liệu thực nghiệm của nhựa đường và hỗn hợp ma tít. Ví dụ về kết quả dự đoán cho ma tít 35/50-15% được thể trên
-10- Hình 2-15. Phương pháp Goodness – of – Fit cũng được sử dụng để đánh giá kết quả dự đoán so với số liệu thí nghiệm. Kết quả cho thấy hoàn toàn có thể dự đoán mô đun cắt động của ma tít với các hàm lượng bột khoáng khác nhau từ thí nghiệm tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường tương ứng với mức độ phù hợp rất tốt. Hình 2-14. Kết quả mô phỏng của vật liệu nhựa Hình 2-15. Kết quả dự đoán |G*| của ma tít đường tại Tref = 25°C 35/50-15% tại Tref = 25°C Mối quan hệ giữa logarit của giá trị tham số chuyển đổi α và hàm lượng bột khoáng theo thể tích được thể hiện trên Hình 2-18. Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa log(α) và hàm lượng bột khoáng có thể được xác định là mối quan hệ tuyến tính. Hệ số α tăng khi hàm lượng bột khoáng tăng lên. Dựa vào kết quả của mối quan hệ này, có thể xác định được giá trị tham số α cho ma tít có hàm lượng bột khoáng bất kỳ. Hình 2-18. Mối quan hệ giữa log(α) và hàm lượng bột khoáng V(%) 2.3. Mối liên hệ giữa tính chất đàn nhớt tuyến tính và nhiệt độ hóa mềm của nhựa đường 2.3.1. Vật liệu thí nghiệm Đề tài đã lựa chọn một số loại nhựa đường được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam. Ngoài ra, nghiên cứu còn đề xuất thêm một số loại nhựa đường-epoxy với các hàm lượng epoxy và thời gian dưỡng mẫu khác nhau. Tổng cộng có 14 loại nhựa được nghiên cứu. Thí nghiệm xác định nhiệt độ hóa mềm của vật liệu theo TCVN 7497:2005. Thí nghiệm cắt động lưu biến DSR cũng được thực hiện với tần số cố định 10 rad/s và trên một dải rộng các nhiệt độ từ 5°C đến 82°C. 2.3.2. Nhiệt độ hóa mềm tương đương TV theo phương pháp của Alisov Xác định nhiệt độ hóa mềm tương đương TV tại điểm có giá trị |G*| =15 kPa (tần số 10 rad/s) của các loại vật liệu. Hình 2-20 so sánh kết quả giá trị TV của tất cả các mẫu thí nghiệm và nhiệt độ hóa mềm tương ứng. Từ Hình 2-20 có thể thấy rằng phương pháp Alisov và cộng sự chỉ phù hợp đối với nhựa đường nguyên gốc trong khi đối với nhựa đường cải tiến, phương pháp này thể hiện sai số lớn. Kết quả này phù hợp những Hình 2-20. So sánh nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ nghiên cứu trước đây. hóa mềm tương đương TV 2.3.3. Nhiệt độ hóa mềm tương đương TK Tham số K được xác định theo công thức (2-20) được đề xuất để tìm mối quan hệ giữa tính chất
-11- lưu biến và nhiệt độ hóa mềm. Phương pháp này được gọi là phương pháp G’/tanδ. |𝐺 ′ | 𝐾= (2-20) 𝑡𝑎𝑛𝛿 Trong đó: |G’| = |G*| cosδ là thành phần đàn hồi của mô đun cắt phức. Hình 2-23 biểu diễn giá trị K của các loại vật liệu tại nhiệt độ hóa mềm. Đề tài đã đề xuất giá trị K = 900 Pa để tại đó xác định nhiệt độ hóa mềm tương đương. Nhiệt độ hóa mềm tương đương này được đặt tên là TK. Tất cả các giá trị TK của các vật liệu được xác định và được so sánh với nhiệt độ hóa mềm thực nghiệm tương ứng của vật liệu trên biểu đồ Hình 2-25. Từ Hình 2-25 có thể thấy, xác định nhiệt độ hóa mềm tương đương theo tham số K đã thể hiện sự phù hợp rất tốt đối với nhiệt độ hóa mềm không chỉ đối với nhựa đường nguyên gốc mà cả nhựa đường cải tiến. Hình 2-23. Giá trị tham số K tại nhiệt độ hóa mềm Hình 2-25. So sánh nhiệt độ hóa mềm và nhiệt (tần số 10 rad/s) độ hóa mềm tương đương TK 2.4. Kết luận chương 2 - Tính chất đàn nhớt tuyến tính của các vật liệu từ nhựa đường đến ma tít tuân theo nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số. - Nhiệt độ và tần số ảnh hướng rất đáng kể đến |G*| của vật liệu. Cũng giống như nhựa đường, đối với các loại ma tít, khi cùng nhiệt độ thí nghiệm, tần số tăng thì |G*| tăng và khi cùng một tần số thí nghiệm, nhiệt độ tăng thì |G*| giảm. - |G*| tăng khi hàm lượng bột khoáng tăng lên. - Hệ số dịch chuyển xác định cho ma tít đồng nhất với hệ số dịch chuyển của nhựa đường tương ứng. - Mô hình 2S2P1D có thể mô phỏng rất tốt tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường. - Hoàn toàn có thể dự đoán mô đun cắt động |G*| của ma tít từ kết quả thí nghiệm tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường tương ứng với mức độ phù hợp cao. Hệ số chuyển đổi α có thể được xác định dựa vào mối quan hệ tuyến tính với hàm lượng bột khoáng. - Xác định nhiệt độ hóa mềm tương đương TK theo thông số K = G’/tanδ = 900 Pa. Kết quả cho thấy rằng phương pháp này không chỉ phù hợp rất tốt với nhựa đường nguyên gốc mà còn nâng cao được rất đáng kể độ chính xác đối với nhựa đường cải tiến. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG NHỰA DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG Chương trình thí nghiệm và phân tích trong nghiên cứu gồm các nội dung sau: - Xác định hệ số Poát xông phức động của 3 loại BTN thông qua thực nghiệm. - Xác thực nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số trong trường hợp 3D đối với các thông số đàn nhớt tuyến tính thu được từ thí nghiệm mô đun phức động và thí nghiệm từ biến. - Nghiên cứu mối liên hệ giữa đặc tính đàn nhớt 3D trong miền tần số (đặc trưng bởi mô đun phức động E*) và trong miền thời gian (đặc trưng bởi hàm từ biến J(t)). - Mô phỏng và dự đoán ứng xử từ biến 3D từ thí nghiệm mô đun phức động 3D. - Dự đoán mô đun phức động của hỗn hợp BTN từ thí nghiệm cắt động lưu biến của chất kết dính nhựa đường của hỗn hợp.
-12- 3.1. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm Vật liệu sử dụng để nghiên cứu bao gồm 3 loại BTN được đặt tên lần lượt là: BTN C19, BTN C12,5 và BTN P12,5. Trong đó hỗn hợp BTN C19 và BTN C12,5 sử dụng cùng một loại nhựa đường nguyên gốc 60/70, BTN P12,5 sử dụng nhựa đường polyme PMB3. Các mẫu BTN được chế tạo với đường kính 150 mm và chiều cao 120 mm. Sau đó, các mẫu này được khoan lấy lõi với đường kính 100 mm và chiều cao 120 mm (xem Hình 3-2). Với việc khoan lấy lõi, bề mặt trụ tròn của mẫu trở nên nhẵn hơn thuận tiện cho việc dán các lá đo biến dạng và tăng độ chính xác kết quả đo. Các lá đo biến dạng sẽ được gắn trực tiếp trên bề mặt xung quanh của mẫu (chi tiết xem Hình 3-4). 3.2. Thiết bị thí nghiệm Nghiên cứu đã sử dụng thiết bị thí nghiệm nén mẫu dọc trục Cooper. Thiết bị Cooper thực hiện thí nghiệm theo tiêu chuẩn AASHTO TP62-03 (Hình 3-3). Tuy nhiên, cấu hình mặc định của thiết bị Cooper chỉ có 2 đầu đo biến dạng dọc trục do đó chỉ cho phép đo đạc được độ lớn của mô đun động mà không cho phép đo đạc được hệ số Poát xông cũng như các giá trị góc lệch pha của các tín hiệu. Để khắc phục những hạn chế của thiết bị thí nghiệm, cần chế tạo bộ gá để có thể lắp thêm các đầu đo lực và gắn thêm các đầu đo biến dạng. Trong nghiên cứu này, ngoài việc tận dụng lại các đầu đo cố định của thiết bị Cooper, bốn đầu đo biến dạng được gắn trên bề mặt của mẫu thí nghiệm (xem Hình 3-4). Trong đó có 2 đầu đo đo biến dạng theo phương dọc và 2 đầu đo đo biến dạng theo phương nở hông. Các đầu đo biến dạng dọc trục và nở hông được dán tại vị trí giữa thân mẫu, đối xứng và xen kẽ nhau. Trong quá trình xử lý dữ liệu, biến dạng dọc trục hay nở hông của mẫu được lấy bằng giá trị trung bình của 2 đầu đo tương ứng. Ngoài ra, nhờ có bộ gá, một đầu đo lực được bố trí thêm ở phía dưới mẫu (ngoài đầu đo lực của máy Cooper) để có thể đồng bộ và lấy dữ liệu lực trong quá trình gia tải. Hình 3-2. Mẫu thí Hình 3-3. Thiết bị thí nghiệm nghiệm. Cooper Hình 3-4. Bố trí các đầu đo biến dạng. 3.3. Thí nghiệm mô đun phức động 3D 3.3.1. Phương pháp thí nghiệm Tác dụng lên mẫu thí nghiệm một tải trọng hình sin tại các nhiệt độ khác nhau gồm 10℃, 20℃, 30℃, 40℃, 50℃ và 60℃. Ứng với mỗi nhiệt độ thí nghiệm, các chu kỳ gia tải được đưa vào thí nghiệm gồm 10 Hz, 5 Hz, 1 Hz, 0,5 Hz và 0,1 Hz. Mỗi loại vật liệu BTN tiến hành thí nghiệm với 1 tổ hợp gồm 3 mẫu. Tại mỗi tần số và nhiệt độ thí nghiệm, giá trị được sử dụng trong phân tích là giá trị trung bình cộng của 3 mẫu thí nghiệm. 3.3.2. Kết quả thí nghiệm và nhận xét Đường cong đặc trưng của mô đun động |E*| và góc pha ϕE được xây dựng tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 40℃. Hình 3-6 thể hiện kết quả xây dựng đường cong đặc trưng mô đun động |E*| và ϕE của vật liệu BTN C12,5. Hệ số dịch chuyển aT được sử dụng để xây dựng đường cong đặc trưng của |E*| và ϕE là đồng nhất với nhau. Mối quan hệ giữa hệ số dịch chuyển aT với nhiệt độ thí nghiệm T được xác định và thể hiện trên Hình 3-7. Kết quả cho thấy với hai loại BTN C19 và BTN C12,5 được sử dụng cùng một loại nhựa đường nguyên gốc 60/70, các giá trị aT là xấp xỉ nhau. Áp dụng hệ số aT của các đường mô đun đẳng nhiệt của mô đun động |E*| cho đường đẳng nhiệt
-13- tương ứng của hệ số Poát xông động, đường cong đặc trưng của hệ số Poát xông động |ν*| và góc lệch pha ϕν của 3 loại BTN nghiên cứu tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 40℃ được xây dựng như trên Hình 3-8 và Hình 3-9. Kết quả cho thấy, Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số hoàn toàn có thể áp dụng cho hệ số Poát xông động. Kết quả trên Hình 3-8 thể hiện rằng giá trị hệ số Poát xông |ν*| của BTN dưới tác dụng của tải trọng động không phải là một hằng số mà là một tham số biến đổi phụ thuộc vào tần số tác dụng của lực và nhiệt độ. Ở cùng một nhiệt độ thí nghiệm, giá trị |ν*| tăng khi tần số giảm và ở cùng một tần số thí nghiệm, giá trị |ν*| tăng khi nhiệt độ tăng. Giá trị hệ số Poát xông động của các mẫu thí nghiệm thay đổi trong khoảng 0,29 đến 0,5. Kết quả này phù hợp với các kết quả nghiên cứu trước đây trên thế giới. Hình 3-6. Đường cong đặc trưng |E*| và ϕE của Hình 3-7. Hệ số dịch chuyển aT của 3 loại BTN C12,5 tại Tref = 40℃ BTN tại Tref = 40℃ Hình 3-8. Đường cong đặc trưng hệ số Poát xông Hình 3-9. Đường cong đặc trưng góc lệch |ν*| của 3 loại BTN tại Tref = 40℃ pha ϕν của 3 loại BTN Tref = 40℃ Từ Hình 3-9 cho thấy, giá trị góc pha của hệ số Poát xông động ϕν khá bé và mang giá trị âm. Điều này chứng tỏ rằng biến dạng theo các phương của các mẫu BTN không xảy ra đồng thời. Đối với vật liệu đàn nhớt tuyến tính như BTN, biến dạng theo phương ngang trễ pha so với biến dạng dọc trục. Tuy nhiên có thể nhận thấy, góc lệch pha này là rất nhỏ. Điều này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu trước đây. 3.4. Thí nghiệm từ biến 3D 3.4.1. Phương pháp thí nghiệm Tại mỗi nhiệt độ thí nghiệm, thí nghiệm từ biến có 2 giai đoạn bao gồm một giai đoạn gia tải theo sau bởi một giai đoạn hồi phục. Trong giai đoạn gia tải, tác dụng lên mẫu BTN một tải trọng không đổi với ứng suất 500 kPa, tải trọng được duy trì trong thời gian 900 giây. Sau đó, tải được dỡ bỏ hoàn toàn và chờ mẫu phục hồi biến dạng trong 900 giây tiếp theo (Hình 3-12). Thí nghiệm từ biến được thực Hình 3-12. Quá trình gia tải-dỡ tải của mẫu hiện tại 3 nhiệt độ bao gồm 15C, 30C và 60C. BTN C12,5 tại nhiệt độ thí nghiệm 30°C
-14- 3.4.2. Kết quả thí nghiệm và nhận xét Hình 3-13 so sánh biến dạng dọc trục và nở hông của mẫu BTN C12,5 tại các nhiệt độ thí nghiệm. Ví dụ về sự biến đổi của biến dạng dọc trục của cả 3 loại BTN nghiên cứu tại 15C được thể hiện trên Hình 3-14. Kết quả thí nghiệm cho thấy biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông tăng trong quá trình gia tải và sau đó phục hồi trong giai đoạn dỡ tải. Khi cùng một mức ứng suất 0,5 MPa được áp dụng trong tất cả các thí nghiệm từ biến, mức độ biến dạng tăng khi nhiệt độ tăng. Biến dạng thể tích của mẫu cũng được xác định theo công thức: εV = ε1 + 2ε2 . Trong đó: εV là biến dạng thể tích, ε1 là biến dạng dọc trục, ε2 là biến dạng nở hông. Hình 3-15 là ví dụ thể hiện sự phát triển của biến dạng thể tích của mẫu BTN C12,5 theo thời gian tại nhiệt độ 60C. Kết quả chỉ ra rằng trong thời điểm bắt đầu gia tải từ biến, thể tích mẫu bị nén đột ngột lại. Sau đó trong quá trình từ biến, mẫu dần nở thể tích ra. Trong giai đoạn nghỉ, mẫu hồi phục về trạng thái ban đầu. Hình 3-13. Biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông của BTN C12,5 tại 15°C, 30°C và 60°C Hình 3-14. Biến dạng dọc trục của 3 loại BTN Hình 3-15. Biến dạng thể tích theo thời gian của tại 15°C mẫu BTN P12,5 tại nhiệt độ 60ºC Tỉ số giữa biến dạng nở hông và biến dạng dọc trục -2(t)/1(t) được gọi là hệ số Poát xông (t) trong biến dạng từ biến. Ví dụ về sự biến đổi theo thời gian của (t) của BTN C19 được thể hiện trên Hình 3-16 Có thể thấy rằng, (t) không phải hằng số trong quá trình từ biến mà có xu hướng tăng theo thời gian. Đây cũng là một kết quả rất mới khi có thể quan sát được sự thay đổi của hệ số Poát xông trong biến dạng từ biến; điều mà không thể thực hiện được trong thí Hình 3-16. Sự phát triển của hệ số Poát nghiệm từ biến 1D. xông ν(t) của BTN C19 theo thời gian Nếu nguyên tắc tương quan Nhiệt độ - Tần số được thỏa mãn cho thí nghiệm từ biến, sự phát triển của biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông phải đồng nhất khi được biểu diễn là hàm của
-15- thời gian tương đường teq (teq = t/aT với t là thời gian và aT là hệ số dịch chuyển). Hình 3-17 và Hình 3-18 biểu diễn biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông là hàm của thời gian tương đương trong quá trình gia tải tại 15C, 30C và 60C của BTN C19. Hệ số dịch chuyển aT được tính toán từ thí nghiệm mô đun phức động (Hình 3-7). Có thể thấy rằng khi biểu diễn là hàm của thời gian tương đương, đường cong biến dạng dọc trục và nở hông tại các nhiệt độ khác nhau chồng lên nhau. Điều đó chứng tỏ nguyên tắc tương quan tần số nhiệt độ được áp dụng cho thí nghiệm từ biến và giá trị hệ số dịch chuyển aT là giống nhau cho cả thí nghiệm mô đun phức động và thí nghiệm từ biến. Nói cách khác, điều đó xác nhận mối quan hệ của tính chất đàn nhớt 3D giữa thí nghiệm mô đun phức động và thí nghiệm từ biến. Hình 3-17. Biến dạng dọc trục theo thời gianHình 3-18. Biến dạng nở hông theo thời gian tương đương - BTN C19 tương đương - BTN C19 3.5. Mô phỏng thí nghiệm từ biến 3D từ thí nghiệm mô đun phức động 3D 3.5.1. Mô hình Kelvin - Voigt 3D Trong trường hợp 3D, mỗi phần tử Kelvin Voigt được gán thêm một hệ số Poát xông  𝑖𝐺𝐾𝑉 như trên Hình 3-19. Các công thức của mô hình: 𝑛 −1 1 1 𝐸 ∗ (𝜔) 𝐺𝐾𝑉 = ( 𝐺𝐾𝑉 + ∑ 𝐺𝐾𝑉 ) (3 − 7) 𝐸0 𝐸𝑖 + 𝑗𝜔𝜂 𝑖𝐺𝐾𝑉 (𝑇) 1 Hình Hình 3-1. Mô hình GKV 3D 𝜈0𝐺𝐾𝑉 𝜈 𝐺𝐾𝑉 + ∑1𝑛 𝐺𝐾𝑉 𝑖 1 𝑛 1 −𝑡 𝐸 𝐺𝐾𝑉 𝐸𝑖 + 𝑗𝜔𝜂 𝑖𝐺𝐾𝑉 𝜈 ∗𝐺𝐾𝑉 = 0 (3 − 8) 𝐽(𝑡) = +∑ (1 − 𝑒 𝜏 𝑖 ) (3 − 9) 1 𝑛 1 𝐸0𝐺𝐾𝑉 𝐸𝑖 𝐺𝐾𝑉 𝐺𝐾𝑉 + ∑1 𝐺𝐾𝑉 1 𝐸0 𝐸𝑖 + 𝑗𝜔𝜂 𝑖𝐺𝐾𝑉 Trong nghiên cứu này, việc tính toán và mô phỏng bằng mô hình 2D2P1D và mô hình GKV 3D được thực hiện bằng chương trình MS Excel. Phương pháp sử dụng 2 mô hình này như sau: - Hiệu chỉnh các tham số của mô hình 2S2P1D dựa trên kết quả thí nghiệm mô đun phức động 3D; - Khớp các thông số 𝐸 𝑖 𝐺𝐾𝑉 , 𝜂 𝑖𝐺𝐾𝑉 và  𝑖𝐺𝐾𝑉 của mô hình GKV 3D từ mô hình 2S2P1D. Phương pháp điều chỉnh bao gồm việc xác định và phân phối thời gian đặc trưng i của mô hình GKV trong dãy hiệu chỉnh tần số - thời gian và giảm thiểu sự khác biệt giữa mô đun phức động và hệ số Poát xông phức động thu được từ mô hình GKV 3D và 2S2P1D, trong đó kết quả từ mô hình 2S2P1D là các giá trị tham chiếu. Trong nghiên cứu này, số lượng phần tử Kelvin Voigt được chọn là n = 21; - Từ các thông số thu được từ mô hình GKV 3D (𝐸 𝑖 𝐺𝐾𝑉 , 𝜂 𝑖𝐺𝐾𝑉 và  𝑖𝐺𝐾𝑉 ), hàm từ biến J(t) của từng phần tử và của cả mô hình được xác định theo công thức của mô hình. Sau đó, sự biến đổi của biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông trong thí nghiệm từ biến 3D có thể được mô phỏng bằng mô hình GKV 3D. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thí nghiệm.
-16- 3.5.2. Dự đoán biến dạng từ biến từ thí nghiệm mô đun phức động Mô hình 2S2P1D được sử dụng để mô phỏng |E*| và |ν*| thu được từ thí nghiệm mô đun phức động 3D. Ví dụ về kết quả mô phỏng cho vật liệu BTN C19 thể hiện trên Hình 3-20 và Hình 3- 21. Rõ ràng rằng mô hình 2S2P1D trong trường hợp 3D hoàn toàn có thể mô phỏng rất tốt mô đun động |E*| và hệ số Poát xông động |ν*| của vật liệu. Hình 3-20. Mô phỏng mô đun phức động của Hình 3-21. Mô phỏng hệ số Poát xông động BTN C19 tại Tref = 40C |ν*| của BTN C19 tại Tref = 40C Việc hiệu chỉnh các tham số 𝐸 𝑖 𝐺𝐾𝑉 , 𝜂 𝑖𝐺𝐾𝑉 và  𝑖𝐺𝐾𝑉 của mô hình GKV 3D chỉ được tiến hành ở nhiệt độ tham chiếu Tref = 15C dựa trên các tham số của mô hình 2S2P1D tại cùng nhiệt độ tham chiếu đó. Khi nhiệt độ thay đổi lên 30C và 60C, các tham số 𝐸 𝑖 𝐺𝐾𝑉 và  𝑖𝐺𝐾𝑉 là không đổi so với ở nhiệt độ 15C. Chỉ có duy nhất tham số 𝜂 𝑖𝐺𝐾𝑉 thay đổi theo nhiệt độ: ηGKV (T) = aT × ηGKV (Tref ) (với i = 1 đến 21) i i (3-10) Trong đó giá trị 𝜂 𝑖𝐺𝐾𝑉 (𝑇 𝑟𝑒𝑓 ) được xác định tại nhiệt độ tham chiếu, 𝜂 𝑖𝐺𝐾𝑉 ( 𝑇) được xác định tại nhiệt độ T và aT là hệ số dịch chuyển đối với nhiệt độ T tương ứng. Hình 3-23 và Hình 3-24 biểu diễn kết quả khớp tham số của mô hình GKV 3D theo mô hình 2S2P1D tại nhiệt độ tham chiếu 30C của BTN C12,5. Kết quả mô phỏng của cả hai mô hình phù hợp rất tốt với kết quả thí nghiệm và sự khác biệt giữa 2 mô hình là rất nhỏ. Điều này xác nhận sự phù hợp của sự chuyển đổi giữa 2 mô hình ở trạng thái 3D và xác nhận nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ-Tần số trong quá trình chuyển đổi. Hình 3-23. Đường cong đặc trưng |E*| của BTN Hình 3-24. Đường cong đặc trưng |ν*| của C12,5 tại nhiệt độ Tref = 30C BTN C12,5 tại nhiệt độ Tref = 30C Sau khi xác định được các tham số của mô hình GKV 3D từ các tham số của mô hình 2S2P1D, hàm từ biến của mô hình GKV được xác định và do đó biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông của mô hình trong quá trình từ biến cũng được tính toán. Hình 3-26 thể hiện đường cong biến dạng dọc trục và Hình 3-27 thể hiện biến dạng nở hông được mô phỏng bởi mô hình GKV 3D và so sánh với giá trị thí nghiệm của hỗn hợp BTN C12,5. Kết quả thu được cho thấy rằng mô hình GKV có thể mô phỏng tốt ứng xử của các vật liệu BTN
-17- ở cả hai giai đoạn thí nghiệm là giai đoạn từ biến và giai đoạn hồi phục. Kết quả tương tự cũng được tìm thấy cho các vật liệu nghiên cứu còn lại. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, mô đun phức động và hệ số Poát xông phức động có thể dự đoán được sự phát triển của biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông của thí nghiệm từ biến 3D. Điều thú vị là tham số đàn nhớt tuyến tính aT được giữ nguyên cho cả thí nghiệm mô đun phức động 3D (miền tần số) và thí nghiệm từ biến 3D (miền thời gian) và cho cả phép chuyển đổi 2S2P1D – GKV 3D (từ tần số sang thời gian). Điều này chứng minh rằng đặc tính đàn nhớt tuyến tính của các hỗn hợp BTN nghiên cứu được bảo toàn và được liên kết từ miền tần số sang miền thời gian. Hình 3-26. BTN C12,5 - mô phỏng tại nhiệt độ Hình 3-27. BTN C12,5 - mô phỏng tại nhiệt độ 30ºC của biến dạng dọc trục 15ºC của biến dạng nở hông 3.6. Dự đoán mô đun động của BTN từ tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường Phương pháp thực hiện nghiên cứu này tương tự phương pháp dự đoán mô đun cắt động của ma tít từ tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường đã thực hiện ở Chương 2. Mô đun động của BTN C12,5 và BTN C19 được dự đoán từ tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường tương ứng của các hỗn hợp là nhựa đường 60/70. Trong khi đó, tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường PMB3 được sử dụng để dự đoán mô đun động của hỗn hợp BTN tương ứng là BTN P12,5. Ví dụ một kết quả dự đoán được đối chiếu với kết quả thực nghiệm và thể hiện trên Hình 3-30. Kết quả dự đoán |E*| của BTN C19 biểu đồ từ Hình 3-30. tại Tref = 40°C Phương pháp Goodness - of - Fit được sử dụng để đánh giá kết quả dự đoán. Kết quả cho thấy tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường không chỉ dự đoán được mô đun cắt động của ma tít mà còn có thể dự đoán được mô đun động của BTN tương ứng với mức độ phù hợp rất tốt 3.7. Kết luận chương 3 - Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số trong trường hợp 3D được xác thực cho cả thí nghiệm mô đun phức động và thí nghiệm từ biến. Hệ số Poát xông phức động và sự biến thiên của biến dạng theo thời gian trong thí nghiệm từ biến tuân theo nguyên tắc này. - Hệ số Poát xông động |ν*| của BTN không phải là hằng số mà thay đổi trong khoảng từ 0,29 đến 0,5. Giá trị hệ số Poát xông động tăng khi nhiệt độ tăng hoặc tần số giảm và ngược lại. - Góc lệch pha ϕν của các mẫu thí nghiệm có giá trị khá bé và mang giá trị âm. Điều đó chứng tỏ biến dạng theo phương ngang không xảy ra đồng thời với biến dạng dọc trục mà có sự trễ pha so với biến dạng dọc trục. - Hệ số dịch chuyển aT được sử dụng để xây dựng đường cong đặc trưng |E *| và |ν*| là đồng nhất với nhau. Hai mẫu BTN sử dụng cùng một loại nhựa đường nguyên gốc 60/70 là BTN C19 và BTN C12,5 có hệ số aT là xấp xỉ nhau.
-18- - Sự phát triển hệ số Poát xông và biến dạng thể tích trong thí nghiệm từ biến 3D cũng được phân tích thông qua thí nghiệm. - Sự đồng nhất hệ số dịch chuyển aT cho thí nghiệm mô đun phức động và thí nghiệm từ biến ở trạng thái 3D chứng minh mối liên hệ tính chất đàn nhớt tuyến tính 3D trong miền tần số và miền thời gian. - Mô hình 2S2P1D và mô hình GKV trong trường hợp 3D cho kết quả mô phỏng tốt cả mô đun phức động E* và hệ số Poát xông phức động ν*. Hiệu chỉnh mô hình 2S2P1D – GKV sử dụng cùng một hệ số dịch chuyển aT thu được từ thí nghiệm mô đun phức động và tuân thủ nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số. - Sự phát triển của biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông trong thí nghiệm từ biến 3D có thể được dự đoán bằng mô đun phức động E* và hệ số Poát xông phức động ν*. - Kết quả thí nghiệm tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường không chỉ dự đoán được mô đun phức động của ma tít mà còn có thể dự đoán được mô đun phức động của BTN tương ứng với mức độ phù hợp cao. CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG Nội dung nghiên cứu của chương 4 bao gồm các vấn đề sau: - Xác định các thông số tính chất vật liệu trong trường hợp tính toán đàn nhớt. - Xác định các thông số tính chất vật liệu trong trường hợp tính toán đàn hồi. - Tính toán, phân tích và so sánh ứng suất biến dạng của kết cấu áo đường trong hai trường hợp đàn hồi và đàn nhớt. Trong trường hợp tính toán đàn nhớt, do có tính đến tính nhớt của vật liệu BTN, ảnh hưởng của nhiệt độ và vận tốc xe chạy được nghiên cứu. 4.1. Giới thiệu phần mềm Viscoroute 2.0 4.1.1. Thiết lập mô hình kết cấu và thông số tính chất vật liệu Nếu coi các lớp vật liệu (BTN, CPĐD và đất nền) là đàn hồi tuyến tính, thông số đầu vào về tính chất của vật liệu gồm giá trị mô đun đàn hồi và hệ số Poát xông (thường lấy bằng 0,35). Trong trường hợp coi vật liệu BTN là đàn nhớt tuyến tính, tính chất vật liệu được mô phỏng thông qua các tham số của mô hình Huet-Sayegh. Thông qua các tham số này, phần mềm tự động tính toán cường độ của vật liệu tại các cặp dữ liệu nhiệt độ - tần số (vận tốc) đầu vào bất kỳ. 4.1.2. Thiết lập thông số tải trọng, vận tốc tính toán và dữ liệu đầu ra Phần mềm có thể khai báo các dạng tải trọng chuyển động khác nhau như tải trọng bánh đơn hay bánh đôi; Tải trọng trục đơn, trục kép hay trục ba. Tải trọng của mỗi bánh xe có thể được mô phỏng dạng lực tập trung hoặc dạng lực phân bố trên diện tích hình chữ nhật hoặc hình ê líp (tròn). Tham số của vận tốc cũng được khai báo trong trường hợp tính toán đàn nhớt tuyến tính. 4.1.3. Phân tích kết cấu và xuất kết quả Phần mềm cho phép phân tích, tính toán và xuất kết quả là các giá trị ứng suất, biến dạng và chuyển vị theo chiều sâu (phương z) của kết cấu tại các vị trí tính toán theo phương xe chạy (phương x) và phương ngang đường (phương y) so với tâm của tải trọng bánh xe. 4.2. Lựa chọn kết cấu, tải trọng tính toán và các trường hợp tính toán 4.2.1. Lựa chọn kết cấu và tải trọng Loại kết cấu được lựa chọn gồm có số lớp và chiều dày của các lớp được thể hiện như trên Hình 4-5. Có 2 dạng tải trọng được lựa chọn để mô phỏng. Dạng 1 là tải trọng trục đơn tiêu chuẩn 10T được áp dụng trong tính toán thiết kế kết cấu áo đường mềm TCCS 38 : 2022/TCĐBVN. Tải trọng phân bố trên diện tích hình tròn đường kính D = 33 cm với áp lực p = 0,6 MPa. Dạng 2 là tải trọng trục kép gồm 2 tải trọng của dạng 1 và đặt cách nhau 1,2 m theo chiều xe chạy (phương trục x) (Hình 4-6).