Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đến tuổi thọ kết cấu mặt đường mềm khu vực thành phố hồ chí minh và giải pháp khắc phục luận văn thạc sỹ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Riêng ở thành phố Hồ Chí Minh biến thiên nhiệt độ trong năm hoàn toàn khác với các địa phương khác trong nước nhưng khi tính toán kết cấu áo đường mềm theo tiêu chuẩn thiết kế áo đường m

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN TUẤN HOÀNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ KHÔNG KHÍ ĐẾN TUỔI THỌ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG

MỀM KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

TP Hồ Chí Minh-2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN TUẤN HOÀNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ

KHÔNG KHÍ ĐẾN TUỔI THỌ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG

MỀM KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC

Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số : 60.58.02.05.01 Chuyên sâu : Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN HÙNG

TP Hồ Chí Minh-2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Tuấn Hoàng

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, học viên đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình và quý báu của nhiều đơn vị, cá nhân liên quan về lĩnh vực mà học viên đã tham gia nghiên cứu

Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy hướng dẫn là PGS.TS Nguyễn Văn Hùng - Phó Hiệu trưởng Trường Đại học Giao thông vận tải đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy, cô trong Bộ môn Đường bộ, Khoa Sau Đại học Trường Đại học Giao thông vận tải – Phân hiệu tại Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Cảm ơn lãnh đạo cơ quan là Ban Quản lý dự án Đầu tư xây dựng Công trình giao thông Bình Thuận đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận văn

Cảm ơn sự động viên, giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của người thân, bạn bè

và đồng nghiệp trong quá trình thực hiện luận văn

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do lựa chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Nội dung nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊTÔNG NHỰA VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA 6

1.1 Tổng quan về bêtông nhựa (bêtông asphalt) 6

1.1.1 Khái niệm 6

1.1.2 Các tính chất cơ lý của bêtông nhựa 7

1.1.3 Tình hình sử dụng bêtông nhựa làm mặt đường ở thành phố Hồ Chí Minh 11

1.2 Ảnh hưởng của yếu tố nhiệt tới khả năng làm việc của mặt đường bê tông nhựa 12

1.2.1 Các nhân tố ảnh hưởng tới trạng thái nhiệt trong mặt đường bêtông nhựa 12

1.2.2 Sự phân bố nhiệt trong bê tông nhựa, biến dạng nhiệt và ảnh hưởng của

ứng suất nhiệt riêng 13

1.2.2.1 Ứng suất nhiệt riêng và đường nhiệt độ trung bình tuyến tính 13

1.2.2.2 Sự xuất hiện các miền bị kéo và bị nén 15

1.2.2.3 Biến dạng nhiệt của mặt đường bêtông nhựa 17

1.2.3 Ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ tới khả năng làm việc của mặt đường bê tông nhựa 20

1.2.4 Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến đặc điểm làm việc của mặt đường bêtông nhựa ở nước ta 23

1.2.5 Nhiệt độ thiết kế trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm 24

1.2.6 Những bất cập trong việc chọn trị số mô đun đàn hồi thiết kế mặt đường bêtông nhựa 26

1.3 Các nghiên cứu liên quan đến nhiệt độ đối với mặt đường bê tông nhựa 28

1.3.1 Các nghiên cứu của nước ngoài 28

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước 30

1.4 Kết luận Chương 1 32

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU, THỜI TIẾT CỦA KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 34

2.1 Vị trí địa lý, đặc điểm khí hậu Việt Nam 34

2.2 Đặc điểm khí hậu, thời tiết khu vực thành phố Hồ Chí Minh 37

2.3 Tình hình biến đổi nhiệt độ không khí trên thế giới và ở nước ta 38

2.4 Phân tích dữ liệu nhiệt độ không khí tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh 40

2.4.1 Theo nguyên lý Superpave của Mỹ 40

2.4.2 Theo QCVN 02:2009/BXD của Việt Nam 45

2.4.3 Kết luận 46

CHƯƠNG 3: ĐO ĐẠC, NGHIÊN CỨU QUAN HỆ GIỮA NHIỆT ĐỘ MẶT ĐƯỜNG BÊTÔNG NHỰA VÀ NHIỆT ĐỘ KHÔNG KHÍ TẠI

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO

ỔN ĐỊNH NHIỆT CỦA BÊTÔNG NHỰA 48

3.1 Thực nghiệm đo đạc nhiệt độ không khí, nhiệt độ mặt đường trên tuyến đường bê tông nhựa của thành phố Hồ Chí Minh (đường Lê Văn Việt, Quận 9) 48

3.1.1 Mô tả phương pháp đo 48

3.1.2 Kết quả đo nhiệt độ không khí và bêtông nhựa ở các độ sâu khác nhau 50

3.1.3 Nhận xét, đánh giá sự biến thiên không khí, nhiệt độ mặt đường trong ngày 52

3.2 Đề xuất phương trình quan hệ giữa nhiệt độ mặt đường với nhiệt độ không khí và chiều sâu cho đường bêtông nhựa ở thành phố Hồ Chí Minh 53

3.3 Kiến nghị nhiệt độ tính toán kết cấu mặt đường bêtông nhựa và giá trị mô đun đàn hồi của bêtông nhựa ở thành phố Hồ Chí Minh cho tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 211-06 59

3.3.1 Đề xuất nhiệt độ tính toán kết cấu áo đường mềm theo điều kiện nhiệt độ không khí của thành phố Hồ Chí Minh 59

3.3.2 Kiến nghị giá trị môđun đàn hồi của vật liệu bêtông nhựa theo điều kiện nhiệt độ không khí tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh 63

3.4 Đề xuất một số giải pháp nâng cao tính ổn định nhiệt của bêtông nhựa phù hợp với nhiệt độ không khí của khu vực thành phố Hồ Chí Minh 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

1 Kết luận 70

2 Kiến nghị 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1 1 Mô đun đàn hồi tính toán của bê tông nhựa trong tiêu chuẩn 22TCN

274-01 27

Bảng 1 2 Mô đun đàn hồi tính toán của bê tông nhựa trong tiêu chuẩn 22TCN 211-06 27

Bảng 2 1 Nhiệt độ không khí cao nhất 7 ngày hàng năm của 22 năm ở trạm Tân Sơn Hòa-thành phố Hồ Chí Minh 40 Bảng 2 2 Nhiệt độ không khí cao trung bình của 7 ngày cao nhất từ năm 1995 đến 2016 của trạm Tân Sơn Hòa 42 Bảng 2 3 Nhiệt độ không khí trung bình tháng của trạm Tân Sơn Hòa - Thành phố Hồ Chí Minh 43 Bảng 2 4 Nhiệt độ không khí thấp nhất của 1 ngày trong 22 năm (o C) 44 Bảng 2 5 Nhiệt độ không khí cao nhất trung bình tháng của khu vực thành phố Hồ Chí Minh (QCVN 02:2009 BXD) (o C) 46 Bảng 2 6 Nhiệt độ không khí trung bình tháng của khu vực thành phố Hồ Chí Minh (QCVN 02:2009 BXD) (oC) 46 Bảng 2 7 Nhiệt độ không khí thấp nhất trung bình tháng của khu vực thành phố Hồ Chí Minh (QCVN 02:2009 BXD) (o C) 46 Bảng 2 8 Kết quả tính toán nhiệt độ không khí cao trung bình, trung bình và thấp nhất trung bình của khu vực thành phố Hồ Chí Minh 47 Bảng 3 2 Bảng kết quả đo nhiệt độ mặt đường trên đường Lê Văn Việt, Quận 9, thành phố Hồ Chí Minh (ngày 7/3/2017) 50

Bảng 3 3 Nhiệt độ cao nhất, thấp nhất trung bình tại lớp mặt đường BTN, tại chiều sâu 2cm, 4cm và 7cm 57

Bảng 3 4 Bảng tính nhiệt độ BTN theo chiều sâu 58

Bảng 3 5 Nhiệt độ tính toán cắt trượt của mặt đường bê tông nhựa 61

Bảng 3 6 Nhiệt độ tính toán độ võng của mặt đường bê tông nhựa 62

Bảng 3 7 Nhiệt độ tính toán nứt mỏi của mặt đường bê tông nhựa 63Bảng 3 8 Bảng kết quả thí nghiệm xác định giá trị môđun đàn hồi của vật liệu bêtông nhựa ở các nhiệt độ khác nhau 65Bảng 3 9 Bảng giá trị môđun đàn hồi của vật liệu bêtông nhựa theo điều kiện nhiệt độ không khí của khu vực thành phố Hồ Chí Minh 66Bảng 3 10 So sánh kết quả kiểm toán kết cấu mặt đường theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06 giữa giá trị môđun đàn hồi vật liệu BTN chung của cả nước hiện nay và theo điều kiện nhiệt độ không khí của khu vực thành phố Hồ Chí Minh 67Bảng 3 11 Bảng kết quả phân tích kiểm toán kết cấu áo đường theo phần mềm 3D-Move 68

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1 1 Sơ đồ về các lỗ rỗng và thành phần hỗn hợp BTN đầm chặt 7

Hình 1 2 Hiện tượng lún mặt đường ở đại lộ Đông - Tây, 11

Hình 1 3 Biến dạng của thanh dưới tác dụng của nhiệt độ 15

Hình 1 4 Các đường cong nhiệt độ khi nhận nhiệt 17

Hình 1 5 Các miền bị nén và kéo xuất hiện khi mặt đường nhận nhiệt 18

Hình 1 6 Các đường cong nhiệt độ khi mặt đường tỏa nhiệt 18

Hình 1 7 Các miền bị nén và kéo xuất hiện khi mặt đường tỏa nhiệt 19

Hình 1 8 Đồ thị quan hệ giữa độ lún vệt bánh xe với nhiệt độ và số lần tác dụng của tải trọng đối với bê tông nhựa loại B 20

Hình 1 9 Quan hệ giữa nhiệt độ mặt đường và nhiệt độ không khí 29

Hình 1 10 Biến thiên theo giờ nhiệt độ không khí, độ ẩm, nhiệt độ bê tông nhựa 29

Hình 2 1 Các nhân tố ảnh hưởng tới trạng thái nhiệt trong mặt đường 13

Hình 2 2 Sự khác nhau giữa nhiệt độ không khí ở khu vực Cần Thơ, Bà Rịa Vũng Tàu và thành phố Hồ Chí Minh 36

Hình 3 1 Thiết bị và sơ đồ đo nhiệt độ mặt đường 50

Hình 3 2 Đồ thị biến thiên nhiệt độ không khí và nhiệt độ tại các vị trí khác nhau trong lớp bê tông nhựa theo thời gian trong ngày 52

Hình 3 3 Phần mềm phân tích số liệu thống kê Minitab 54

Hình 3 4 Kết quả phân tích nhiệt độ trung bình của đường bêtông nhựa với nhiệt độ không khí và chiều sâu 55

Hình 3 5 Kết quả phân tích nhiệt độ của đường bêtông nhựa với nhiệt độ không khí và chiều sâu (quá trình bêtông nhựa thu nhiệt) 56

Hình 3 6 Kết quả phân tích nhiệt độ của đường bêtông nhựa với nhiệt độ không khí và chiều sâu (quá trình bêtông nhựa tỏa nhiệt) 57

Hình 3 7 Biểu đồ sự thay đổi của nhiệt độ BTN theo chiều sâu 58

Hình 3 8 Hình ảnh quá trình thí nghiệm xác định giá trị môđun đàn hồi của vật liệu bêtông nhựa ở các nhiệt độ khác nhau 65Hình 3 9 Phần mềm kiểm toán phân tích kết cấu áo đường 3D-Move 68

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, vật liệu bêtông nhựa

đã và đang được sử dụng rất phổ biến trong xây dựng đường ô tô Ở thành phố Hồ Chí Minh, các dự án xây dựng đường đa số sử dụng bêtông nhựa làm lớp mặt đường Việc xây dựng cũng như sửa chữa đường bêtông nhựa hiện nay mất rất nhiều kinh phí và công sức, bởi vậy để tạo được những tuyến đường có chất lượng cao, ổn định trong quá trình khai thác và tăng tuổi thọ cho con đường cùng với việc đầu tư vốn hiệu quả là điều quan tâm của các nhà xây dựng đường, chủ đầu tư và các cơ quan quản lý nhà nước trong ngành cầu đường nước ta cũng như thành phố Hồ Chí Minh

Tuy nhiên, hiện nay còn một số tồn tại cần được nghiên cứu giải quyết cho mặt đường bêtông nhựa là rất nhiều tuyến đường bêtông nhựa ở nước ta nói chung và thành phố Hồ Chí Minh nói riêng sau thời gian ngắn đưa vào sử dụng đã xuất hiện các hiện tượng hư hỏng như: Rạn nứt mặt đường; Biến dạng mặt đường như dồn ụ, gợn sóng, hằn lún vệt bánh xe…

Có rất nhiều nguyên nhân gây ra hư hỏng mặt đường bêtông nhựa, từ các nguyên nhân chủ quan như khảo sát thiết kế chưa đầy đủ, thi công chưa đảm bảo chất lượng, vật liệu không đúng quy cách và chất lượng vật liệu kém, duy tu bảo dưỡng không kịp thời, không đảm bảo kỹ thuật, sử dụng đường không đúng quy định, đến các nguyên nhân khách quan như thiên tai, thời tiết mà trong đó nhiệt độ là yếu tố có ảnh hưởng rất quan trọng Như ta biết bêtông nhựa là vật liệu đàn hồi nhớt – dẻo, tính chất cơ lý của nó tùy thuộc rất nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ Ở nhiệt độ bình thường thì bê tông nhựa thể hiện tính đàn hồi dẻo; ở nhiệt độ cao, bê tông nhựa thể hiện tính chảy dẻo, khả năng chống biến dạng giảm, gây nên hiện tượng biến dạng dồn ụ, gợn sóng, hằn lún vệt bánh xe; ở nhiệt độ thấp bêtông nhựa giòn hơn dễ bị nứt nẻ

Các thông số thiết kế của vật liệu bêtông nhựa trong các tiêu chuẩn hiện hành vẫn có những điểm chưa thống nhất Riêng ở thành phố Hồ Chí Minh biến thiên nhiệt độ trong năm hoàn toàn khác với các địa phương khác trong nước nhưng khi tính toán kết cấu áo đường mềm theo tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN 274-01 và 22TCN 211-06 thì nhiệt độ tính toán quy định giống nhau cho cả nước, không xét đến đặc thù từng địa phương; Mặt khác, yếu tố nhiệt độ môi trường vẫn chưa được chú ý, đánh giá kỹ càng trong công tác thiết kế cũng như khai thác đường, cộng với đó là sự gia tăng của tải trọng

xe gây ra các hư hỏng dẫn đến tuổi thọ đường bị suy giảm đáng kể so với thiết

kế ban đầu Vì vậy việc nghiên cứu xác định nhiệt độ tính toán cho thành phố

Hồ Chí Minh là cần thiết

Nước ta có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, ở thành phố Hồ Chí Minh quanh năm có cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ không khí trung bình khá cao, nhiệt độ mặt đường bêtông nhựa có thể lên đến 70oC, nắng nóng kéo dài có thể làm cho mặt đường bêtông nhựa biến dạng và nhanh lão hóa, mưa gió đột ngột có thể làm cho ngập nước gây phá hoại mặt đường Mặt khác, hiện nay quá trình biến đổi khí hậu trên thế giới đã và đang gây ra rất nhiều sự thay đổi, trong đó Việt Nam là một trong những nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất, nhiệt độ thay đổi nhiều so với trước đây Nhiệt độ và bức xạ mặt trời trong ngày dao động với biên độ lớn có tính chất tuần hoàn với chu kỳ ngày đêm và theo thời kỳ trong năm cũng là những nhân tố quan trọng gây ra ảnh hưởng bất lợi đến mặt đường bêtông nhựa, các tác động của tải trọng xe cùng với ảnh hưởng của thời tiết dẫn đến xuất hiện những hư hỏng, phải sửa chữa gây nhiều tốn kém, chất lượng đường không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

Khả năng làm việc của mặt đường bêtông nhựa phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ là một vấn đề khó khăn, phức tạp mà từ lâu các nhà nghiên cứu, thiết

kế và xây dựng đường ô tô ở trong và ngoài nước đã đặt nhiệm vụ và tiến hành nghiên cứu theo nhiều hướng để khắc phục được tối đa nhược điểm này

của bêtông nhựa Đối với Việt Nam nói chung và thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, việc này càng có ý nghĩa và thật sự cần thiết Đây là bài toán kinh tế kỹ thuật quan trọng nếu được giải quyết sẽ mang lại hiệu quả kinh tế to lớn trong ngành xây dựng đường ô tô ở nước ta và thành phố Hồ Chí Minh

Như vậy, việc nghiên cứu tác động của yếu tố nhiệt độ môi trường đến các trạng thái nhiệt của mặt đường bêtông nhựa là điều cần thiết Từ đó đề ra các biện pháp khắc phục, hạn chế ảnh hưởng tiêu cực của yếu tố nhiệt độ không khí đến mặt đường mềm khu vực thành phố Hồ Chí Minh

Xuất phát từ thực tế trên, em nghiên cứu thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đến tuổi thọ kết cấu mặt đường mềm khu vực thành phố Hồ Chí Minh và giải pháp khắc phục”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu tác động của yếu tố nhiệt độ không khí đến các trạng thái nhiệt của mặt đường bêtông nhựa Từ đó đề ra các biện pháp khắc phục, hạn chế ảnh hưởng tiêu cực của yếu tố nhiệt độ không khí đến mặt đường mềm khu vực thành phố Hồ Chí Minh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu về biến thiên nhiệt độ không khí của khu vực thành phố

Hồ Chí Minh

- Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng biến thiên nhiệt độ không khí đến nhiệt độ trong các lớp mặt đường bêtông nhựa trên một tuyến đường cụ thể của thành phố Hồ Chí Minh là đường Lê Văn Việt, Quận 9

- Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến tuổi thọ của mặt đường bêtông nhựa

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu biến thiên nhiệt độ không khí ở thành phố Hồ Chí Minh;

- Đánh giá ảnh hưởng biến thiên nhiệt độ không khí đến nhiệt độ lớp mặt đường bêtông nhựa trên tuyến đường nghiên cứu;

- Đề xuất phương trình quan hệ giữa nhiệt độ của đường bêtông nhựa với nhiệt độ không khí và chiều sâu; đề xuất nhiệt độ tính toán phù hợp cho kết cấu áo đường bêtông nhựa khu vực thành phố Hồ Chí Minh;

- Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến tuổi thọ của mặt đường bêtông nhựa

- Tham khảo các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học qua đó đề xuất một số giải pháp nhằm nâng cao tính ổn định nhiệt của bêtông nhựa làm việc trong điều kiện khí hậu của thành phố Hồ Chí Minh

5 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp thực nghiệm kết hợp thống kê toán học để xử lý số liệu;

- Phương pháp thống kê: Khảo sát, thu thập số liệu về điều kiện khí hậu, thời tiết, nhiệt độ không khí ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh và một số địa phương khác, tình hình biến đổi khí hậu trên thế giới và Việt Nam;

- Kết hợp nghiên cứu các lý thuyết và kinh nghiệm ở trong nước và trên thế giới sự ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến tuổi thọ của mặt đường bê tông nhựa;

- Phương pháp thực nghiệm: phân tích, đánh giá sự làm việc của mặt đường bêtông nhựa dưới các điều kiện nhiệt độ khác nhau thông qua các số liệu đo đạc thực nghiệm và so sánh với quy định của tiêu chuẩn hiện hành

- Phân tích, luận chứng, đưa ra các đề xuất tính toán mặt đường bêtông nhựa phù hợp với điều kiện khai thác tại thành phố Hồ Chí Minh

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Góp phần củng cố thêm cho những nghiên cứu trước đó của nhiều tác giả trong nước và đồng thời làm sáng tỏ thêm những hạn chế trong các quy trình thiết kế áo đường mềm hiện hành của nước ta

Đây là hướng nghiên cứu rất cần thiết và có nhiều triển vọng mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật trong việc sử dụng bêtông nhựa làm kết cấu áo đường ở thành phố Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊTÔNG NHỰA VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ

BIẾN DẠNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA 1.1 Tổng quan về bêtông nhựa (bêtông asphalt)

1.1.1 Khái niệm [10]

Bêtông asphalt là vật liệu khoáng-bitum xây dựng đường, nhận được khi làm đặc hỗn hợp bêtông asphalt Hỗn hợp bêtông asphalt bao gồm đá dăm (hoặc sỏi), cát, bột khoáng, bitum dầu mỏ, phụ gia Hỗn hợp được thiết kế hợp lý và gia nhiệt từ 120o

C- 160oC

Hỗn hợp bêtông asphalt bao gồm: đá dăm, cát, bột khoáng và bitum được lựa chọn thành phần hợp lý, nhào trộn và gia công thành một hỗn hợp đồng nhất, cốt liệu lớn làm tăng khối lượng hỗn hợp, làm giảm giá thành của bêtông asphalt và tăng cường độ và độ ổn định, cốt liệu nhỏ khi trộn với bitum tạo thành vữa asphalt làm tăng tính dẻo của hỗn hợp, ảnh hưởng đến khả năng làm việc và phạm vi ứng dụng của bêtông asphalt Bột khoáng làm thay đổi tỷ lệ cốt liệu nhỏ làm hỗn hợp đặc hơn và tăng tỷ lệ bề mặt của các cốt liệu, nó kết hợp với bitum tạo nên chất kết dính mới bao bọc và bôi trơn

bề mặt cốt liệu Chất lượng của bêtông asphalt phụ thuộc vào nguồn gốc của cốt liệu, bột khoáng và độ quánh/ nhớt của bitum

Bêtông asphalt là tốt nhất so với các hỗn hợp vật liệu khoáng-bitum khác ở chỗ nó có độ đặc, cường độ, độ ổn định và độ bền cao do sự tham gia của bột khoáng trong thành phần

Bêtông asphalt được sử dụng làm lớp phủ mặt đường có lượng giao thông cao như đường cao tốc, đường thành phố và sân bay, ngoài ra còn có thể sử dụng làm vỉa hè, khu vui chơi giải trí, công trình thể thao và các công trình thủy lợi Bêtông asphalt chủ yếu có màu đen nhưng trong điều kiện yêu cầu cũng có thể chế tạo bêtông asphalt có màu khác

1.1.2 Các tính chất cơ lý của bêtông nhựa

Các tính chất của hỗn hợp BTN và BTN đã đầm nén làm mặt đường bao gồm tính chất liên quan đến đặc tính thể tích và tính chất cơ học

a Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích của hỗn hợp BTN [1],[10], [13],[14]

Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích của hỗn hợp BTN có ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của kết quả thiết kế thành phần hỗn hợp BTN Hiện nay việc phân tích thành phần vật liệu có trong một đơn vị thể tích BTN

có kể đến thể tích bitum được cốt liệu hấp phụ được dùng để xác định các chỉ tiêu của hỗn hợp hỗn hợp BTN

Hình 1.3 giới thiệu các thành phần tham gia trong một đơn vị thể tích và

sơ đồ về các lỗ rỗng trong hỗn hợp BTN

Cốt liệu trong hỗn hợp là các hạt khoáng có lỗ rỗng và có khả năng hấp phụ nước và bitum ở các mức độ khác nhau Như vậy tỷ số giữa nước hấp phụ

và bitum hấp phụ sẽ khác nhau đối với từng loại cốt liệu Từ đó việc xác định

tỷ trọng cốt liệu có 3 cách: Tỷ trọng khối, tỷ trọng biểu kiến và tỷ trọng có hiệu

Xác định các đặc trưng vật lý liên quan đến đặc tính thể tích của hỗn hợp BTN theo các hướng dẫn và công thức được giới thiệu trong TCVN 8860 -

2011

Hình 1 1 Sơ đồ về các lỗ rỗng và thành phần hỗn hợp BTN đầm chặt

Đặc tính thể tích của BTN bao gồm các chỉ tiêu: độ rỗng dư (Va), độ rỗng cốt liệu (VMA), độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) Các giá trị này phải nằm trong giới hạn quy định đảm bảo lớp BTN có khả năng chống biến dạng, chống chảy bitum dưới tác động của tải trọng xe và yếu tố nhiệt độ môi trường, hạn chế sự xâm nhập của nước vào hỗn hợp trong quá trình khai thác

Để xác định các chỉ tiêu đặc tính thể tích của BTN, cần thiết phải thí nghiệm và tính toán các chỉ tiêu sau:

- Các chỉ tiêu liên quan đến tỷ trọng của vật liệu thành phần: tỷ trọng của cốt liệu thô (đá dăm), tỷ trọng của cốt liệu mịn (cát thiên nhiên, cát xay từ đá), tỷ trọng của bitum, tỷ trọng của bột khoáng

- Các chỉ tiêu liên quan đến tỷ trọng của hỗn hợp BTN: tỷ trọng biểu kiến của cốt liệu trong hỗn hợp BTN, tỷ trọng khối của hỗn hợp BTN ở trạng thái rời (chưa đầm), tỷ trọng khối của hỗn hợp BTN khi đã được đầm nén, tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp BTN ở trạng thái rời (chưa đầm)

b Các tính chất cơ học của BTN [1],[10],[13]

Các tính chất cơ học của BTN: bao gồm các chỉ tiêu liên quan đến cường

độ của hỗn hợp BTN sau khi đầm nén nhằm đảm bảo cho kết cấu lớp BTN có

đủ cường độ và độ bền sau khi xây dựng và trong quá trình khai thác dưới tác động của tải trọng xe chạy và các yếu tố môi trường

Độ ổn định và độ dẻo Marshall của mẫu BTN đã đầm nén là hai chỉ tiêu

cơ học chính dùng trong phương pháp thiết kế Marshall Hai chỉ tiêu này được xác định thông qua thí nghiệm Marshall

Độ ổn định Marshall: là giá trị lực lớn nhất tác dụng lên mẫu tại thời điểm mẫu bị phá hoại (S)

Độ dẻo Marshall: là giá trị biến dạng lún của mẫu thí nghiệm tại thời điểm mẫu bị phá hoại (F)

Tính chất của bêtông nhựa phụ thuộc vào cấu trúc của nó, cấu trúc này lại phụ thuộc tính chất và hàm lượng của các thành phần cấu thành, vào sự

phân bố đều đặn các cỡ hạt và nhựa đường, vào chất lượng công nghệ chế tạo hỗn hợp, đặc biệt là chế độ nhiệt và độ đặc chắc của bêtông nhựa

Với các tính chất vật liệu thành phần, đặc biệt là của nhựa đường, bêtông nhựa có tính chất phức tạp là đàn-nhớt-dẻo

Các đặc điểm của tải trọng là độ lớn, thời gian và tần suất tác dụng Trong số các điều kiện tự nhiên, nhiệt độ là yếu tố quyết định, nhiệt độ thay đổi làm thay đổi bản chất vật lý của nhựa đường và vật liệu bêtông nhựa

- Tính chảy dẻo:

Tính chảy dẻo của bêtông nhựa được thể hiện ở tính lưu biến (quá trình biến dạng theo thời gian) Đặc tính biến dạng của bêtông nhựa có quan hệ chặt chẽ với thời gian tác dụng của tải trong và tốc độ gia tải

Cùng với tính chất lưu biến là tính chất phát triển đàn hồi chậm tức là biến dạng đàn hồi không phát sinh ngay khi tác dụng của tải trọng mà có một khỏang thời gian để phát triển

Với tính lưu biến và tính phát triển đàn hồi chậm, thời gian tác dụng của tải trọng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến các đặc trưng cơ học của vật liệu bêtông nhựa

Các tính chất của bêtông asphalt phụ thuộc vào nhiệt độ thi công và nhiệt độ khai thác Theo các tài liệu quốc tế thì bêtông asphalt có thể khai thác

ở nhiệt độ từ -50oC đến +60oC Các giải pháp để tăng cuờng độ ổn định nhiệt của bêtông asphalt cần đặc biệt luu ý khi sử dụng bêtông asphalt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Trong quá trình khai thác bêtông asphalt chịu ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ và thời tiết nên nó bị già đi, nứt nẻ, bị mài mòn

và biến dạng làm giảm tuổi thọ khai thác của bêtông asphalt Tuổi thọ trung bình của các lớp phủ mặt đuờng bằng bêtông asphalt khoảng 10 đến 15 năm Trong điều kiện thiết kế, thi công, bảo dưỡng và khai thác hợp lý thì tuổi thọ tối đa có thể đạt đến 20 năm

Các tính chất bêtông asphalt thay đổi đáng kể theo nhiệt độ: ở nhiệt độ bình thường (thể hiện tính đàn hồi dẻo), ở nhiệt độ cao (thể hiện tính chảy dẻo), ở nhiệt độ thấp (thể hiện tính giòn)

Bêtông asphalt là một loại vật liệu đặc biệt với các tính chất thay đổi nhiều theo nhiệt độ của môi trường và theo mùa Vào mùa nóng nhiệt độ bêtông trong lớp phủ mặt đường có thể đạt 50-70oC, cường độ bị suy giảm, bêtông asphalt trở nên dẻo và có thể bị chảy, về mùa đông bêtông asphalt trở nên đàn hồi thậm trí có thể dòn

Trong cả năm mức độ tải trọng chuyển động trên mặt đường là không đổi Như vậy việc thiết kế thành phần bêtông, thiết kế kết cấu mặt đường, thiết kế công nghệ thi công là một bài toán rất là phức tạp để đảm bảo yêu cầu thay đổi trạng thái ứng suất biến dạng trong các điều kiện thay đổi nhiệt độ khác nhau Bài toán đó được giải quyết bằng cách lựa chọn dạng, kiểu, vật liệu, kết cấu mặt đường hợp lý có xét đến sự phù hợp giữa điều kiện vận tải

và khí hậu Bêtông asphalt cần đảm bảo các yêu cầu về cường độ, độ ổn định, biến dạng ở nhiệt độ cao và chống lại sự phá hoại do nứt ở nhiệt độ thấp Khi đảm bảo được các yếu tố trên bêtông asphalt có thể đạt tuổi thọ từ 15 đến 20 năm

1.1.3 Tình hình sử dụng bêtông nhựa làm mặt đường ở thành phố Hồ Chí Minh

Bêtông nhựa là loại vật liệu được dùng rất phổ biến làm lớp mặt đường của áo đường ô tô của Việt Nam cũng như trên thế giới Mạng lưới đường quốc gia ở Việt Nam cũng như thành phố Hồ Chí Minh hiện nay phần lớn là dùng bêtông nhựa do công tác thiết kế, công nghệ thi công mặt đường bêtông nhựa đã quá quen thuộc ở Việt Nam

Việc nâng cao chất lượng và tuổi thọ lớp mặt đường bêtông nhựa của kết cấu áo đường có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế kỹ thuật đồng thời góp phần đưa công nghệ xây dựng đường của nước ta từng bước hội phập với khu vực và trên thế giới

Trong thời gian qua thành phố Hồ Chí Minh đã tiến hành nâng cấp, cải tạo và xây mới nhiều tuyến đường để đáp ứng nhu cầu phát triển của thành phố, các tuyến đường này chủ yếu làm mặt đường bằng bêtông nhựa, việc xây dựng và sửa chữa các tuyến đường mất rất nhiều kinh phí và thời gian của thành phố

Tuy nhiên một số tuyến đường sau khi đưa vào sử dụng trong thời gian ngắn đã có hiện tượng hư hỏng, xuống cấp, chất lượng không đảm bảo, các hư hỏng đó phổ biến như: Biến dạng dồn ụ, gợn sóng, lún vệt bánh xe; Rạn nứt mặt đường

Hình 1 2 Hiện tượng lún mặt đường ở đại lộ Đông - Tây,

thành phố Hồ Chí Minh [25]

Nguyên nhân gây các hư hỏng trên rất nhiều và phức tạp có thể do khảo sát thiết kế chưa kỹ càng, do thi công không đảm bảo chất lượng, do vật liệu không đúng quy cách và chất lượng, do bảo dưỡng không kịp thời và không đúng kỹ thuật, do sử dụng đường không đúng quy định nhiều xe vượt tải thường xuyên

Một trong những nguyên nhân góp phần rất lớn vào các dạng hư hỏng trên là tác động của điều kiện khí hậu, đặc biệt là khí hậu nóng ẩm mưa nhiều như thành phố Hồ Chí Minh, và khi tính toán thiết kế chưa đánh giá kỹ càng đến

sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự làm việc của mặt đường bêtông nhựa Như

ta đã biết bêtông nhựa là loại vật liệu đàn hồi - nhớt - dẻo Các tính chất cơ lý của nó tùy thuộc rất nhiều vào sự thay đổi của nhiệt độ, mà nhiệt độ không khí tại thành phố Hồ Chí Minh vào mùa nắng thì rất cao

Khi nhiệt độ thay đổi ảnh hưởng rất lớn đến mô đun đàn hồi của mặt đường bêtông nhựa, nhưng các đơn vị thiết kế không đề cập đến sự biến thiên nhiệt

độ của thành phố Hồ Chí Minh ảnh hưởng như thế nào đến mô đun đàn hồi để chọn giá trị cho phù hợp mà chỉ lấy giá trị mô đun đàn hồi theo tiêu chuẩn chung cho cả nước

1.2 Ảnh hưởng của yếu tố nhiệt tới khả năng làm việc của mặt đường bê tông nhựa

1.2.1 Các nhân tố ảnh hưởng tới trạng thái nhiệt trong mặt đường bêtông nhựa

Các phương thức trao đổi nhiệt giữa mặt đường bêtông nhựa với môi trường xung quanh qua 3 hình thức truyền nhiệt cơ bản là dẫn nhiệt, đối lưu

và bức xạ [27]

- Dẫn nhiệt: Nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp trong mặt đường bêtông nhựa và giữa mặt đường bêtông nhựa với nền móng

- Đối lưu: Sự truyền nhiệt từ bề mặt của mặt đường bêtông nhựa vào môi trường không khí và ngược lại

- Bức xạ: là quá trình truyền năng lượng bằng các sóng điện từ giữa các vật Ảnh hưởng đến mặt đường bêtông nhựa là bức xạ mặt trời

Hình 2 1 Các nhân tố ảnh hưởng tới trạng thái nhiệt trong mặt đường

bêtông nhựa

Các nhân tố ảnh hưởng đến trạng thái nhiệt trong mặt đường bêtông nhựa phân làm 2 loại: Các nhân tố bên ngoài và các nhân tố bên trong Các nhân tố bên ngoài chủ yếu là các điều kiện khí hậu như nhiệt độ không khí, bức xạ mặt trời, tốc độ gió, lượng mưa, lượng bốc hơi, trong đó nhiệt độ không khí và bức xạ mặt trời là hai nhân tố quan trọng nhất, quyết định tình trạng phân bố nhiệt trong mặt đường bêtông nhựa

Các nhân tố bên trong gồm có các đặc tính về nhiệt của vật liệu bêtông như: hệ số truyền nhiệt, hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời của mặt đường…

1.2.2 Sự phân bố nhiệt trong bê tông nhựa, biến dạng nhiệt và ảnh hưởng của ứng suất nhiệt riêng

1.2.2.1 Ứng suất nhiệt riêng và đường nhiệt độ trung bình tuyến tính [15]

Biến dạng nhiệt là sự thay đổi thể tích của vật thể do thay đổi nhiệt độ gây nên Khi nhiệt độ của một thanh thẳng thay đổi một lượng t, kích thước của thanh sẽ thay đổi theo bằng lượng l Mức độ giãn nở tương đối l= l/l là

t l

Khi khối cấu kiện không bị ràng buộc liên kết với bên ngoài, nghĩa là khối

cấu kiện tự do, nếu nhiệt độ trong cấu kiện thay đổi không đồng đều sẽ làm

phát sinh ứng suất nhiệt, ứng suất này xuất hiện từ sự liên kết tự nhiên bên trong của vật liệu, không phụ thuộc vào tác động bên ngoài nên gọi là ứng suất nhiệt riêng Độ lớn của ứng suất nhiệt riêng phụ thuộc vào độ cong của đường phân bố nhiệt độ trong vật thể, và ở tại một điểm được xác định bởi độ chênh nhiệt độ tại điểm đó với nhiệt độ trung bình tuyến tính

Việc tính toán ứng suất riêng dựa trên cơ sở giả thiết biến dạng theo thiết diện phẳng của vật rắn của Bécnuli Giả thuyết này cho rằng tiết diện ban đầu trong thanh là phẳng, sau khi trong thanh có sự thay đổi nhiệt độ làm thanh biến dạng thì tiết diện vẫn là phẳng từ đó phát sinh ứng suất

Xét một thanh phẳng ban đầu có nhiệt độ đồng nhất là t0, nhận nhiệt trong ba trường hợp như sau (hình 1.3):

- Trường hợp thứ nhất, sau khi nhận nhiệt, nhiệt độ trong thanh đồng nhất là t1 biểu thị bởi đường nằm ngang, khi đó tiết diện phẳng ban đầu a0a0 sẽ giãn nở dịch chuyển đến a1a1 Do các phần tử giãn nở đều nên a1a1//a0a0 và

a1a1//t1 , trường hợp này trong thanh không xuất hiện ứng suất vì các phần tử trong thanh được giãn nở tự do

- Trường hợp thứ hai, sau khi nhận nhiệt, nhiệt độ trong thanh có phân

bố là đường thẳng t2, khi đó tiết diện phẳng ban đầu a0a0 do giãn nở sẽ dịch chuyển đến a2a2 Do các phần tử đều được giãn nở tỷ lệ với nhiệt độ t2 nên tiết diện sau giãn nở a2a2//t2 Trường hợp này trong thanh cũng không xuất hiện ứng suất vì các phần tử được giãn nở tự do theo nhiệt độ

- Trường hợp thứ ba, sau khi nhận nhiệt, nhiệt độ trong thanh là đường cong t3, khi đó tiết diện phẳng ban đầu a0a0 sẽ giãn nở dịch chuyển đến a3a3

Do các phần tử trong thanh có liên kết với nhau nên chúng không được giãn

nở tỷ lệ với nhiệt độ t3 là đường cong, mà phải giãn nở theo nhiệt độ trung bình của t3 là tTB Tiết diện sau giãn nở a3a3 sẽ vẫn phải là phẳng và song song với tTB

1.2.2.2 Sự xuất hiện các miền bị kéo và bị nén

Từ khảo sát trên thấy rằng các phần tử có nhiệt độ t3 cao hơn tTB không được giãn nở theo nhiệt độ thực t3 của nó mà chỉ được giãn nở đến nhiệt độ

tTB thấp hơn t3, do đó chúng bị nén Ngược lại những phần tử có nhiệt độ t3

thấp hơn tTB sẽ phãi giãn nở đến tTB cao hơn t3, vậy chúng bị kéo Như vậy bên trong thanh đã xuất hiện các miền bị kéo và bị nén khác nhau Sự xuất hiện các miền bị kéo và nén trong thanh gây nên ứng suất kéo và nén gọi là ứng suất nhiệt riêng

tTB được gọi là nhiệt độ trung bình tuyến tính, vì nó là đường thẳng t3

được gọi là nhiệt độ thực

Hay có thể tóm tắt sự xuất hiện các miền bị nén, hoặc kéo như sau:

Miền bị nén

Miền bị kéo

Hình 1 3 Biến dạng của thanh dưới tác dụng của nhiệt độ

(tTB – t) > 0  xuất hiện miền bị kéo

(tTB – t) < 0  xuất hiện miền bị nén

Từ đó thấy rằng ứng suất riêng sẽ không phát sinh nếu phân bố nhiệt độ trong thanh là đường thẳng ứng suất riêng chỉ phát sinh khi phân bố nhiệt độ

là đường cong và phải tỷ lệ với hiệu số giữa nhiệt độ trung bình tuyến tính và nhiệt độ tại điểm khảo sát

 (x)  T Et TB   x t x 

Ở đây

(x) - ứng suất nhiệt riêng tại tọa độ x;

tTB(x) - trị số nhiệt trung bình tại tọa độ x;

t(x) - trị số nhiệt trên đường cong tại tọa độ x;

T - hệ số giãn nở của vật liệu;

E - Mô đun đàn hồi của vật liệu

Nhiệt độ trung bình tuyến tính xác định:

x t t t

t m

với :

 - bề dày của tấm phẳng ,

S - diện tích miền bị kéo ,

e - tọa độ tâm kéo

i n

i i x

n

i

i i i







Khi ứng suất nhiệt phát sinh lớn hơn giới hạn bền của vật liệu TH, thì vật liệu sẽ bị phá hủy:

TH

 ( ) 

1.2.2.3 Biến dạng nhiệt của mặt đường bêtông nhựa [18]

Qua nghiên cứu một kết cấu mặt đường bêtông nhựa có thể đánh giá một cách định tính biến dạng nhiệt, tức là chỉ ra đặc tính của các miền bị nén và bị kéo trong lớp bêtông nhựa, để từ đó có thể nhận định về hư hỏng mặt đường do các yếu tố nhiệt gây nên

a Các đường cong nhiệt độ khi lớp nhựa nhận nhiệt từ môi trường nhiệt từ 6 giờ đến 17 giờ

Hình 1 4 Các đường cong nhiệt độ khi nhận nhiệt

b Các miền bị nén và bị kéo xuất hiện trong lớp nhựa của áo đường

Căn cứ vào các đường nhiệt độ thực xác định được các đường nhiệt độ tuyến tính như sau

35 40 45 50 55 60 65 70 75

Hình 1 5 Các miền bị nén và kéo xuất hiện khi mặt đường nhận nhiệt

- Các đường nhiệt độ trong quá trình nhận nhiệt luôn có chiều lõm quay lên trên, nên tại phía mặt trên lớp nhựa, nhiệt độ thực luôn cao hơn nhiệt độ trung bình tuyến tính, do đó tại lớp mặt trên cùng lớp nhựa luôn bị nén

- Lớp nhựa kế tiếp luôn bị nén

c Các đường cong nhiệt độ khi nhận lớp nhựa tỏa nhiệt ra môi trường từ 18 giờ đến 6 giờ sáng hôm sau

Hình 1 6 Các đường cong nhiệt độ khi mặt đường tỏa nhiệt

35 40 45 50 55 60 65 70 75

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 34

36 38 40 42 44 46 48 50 52 54

Nhiệt độ trung bình tuyến tính

Nhiệt độ thực Miền bị kéo

Miền bị nén

d Các miền bị nén và bị kéo xuất hiện trong lớp nhựa của áo đường căn cứ vào dường nhiệt độ tuyến tính và nhiệt độ thực

- Các đường nhiệt độ trong quá trình mặt đường tỏa nhiệt luôn có chiều lõm quay xuống dưới, nên tại phía mặt trên lớp nhựa, nhiệt độ thực luôn thấp hơn nhiệt độ trung bình tuyến tính, do đó tại lớp mặt trên cùng lớp nhựa luôn bị kéo

- Lớp nhựa kế tiếp luôn bị nén

Hình 1 7 Các miền bị nén và kéo xuất hiện khi mặt đường tỏa nhiệt

Kết luận về tình trạng biến dạng của lớp nhựa trên áo đường bêtông nhựa như sau:

- Trong thời gian mặt đường nhận nhiệt, từ 7 giờ đến 17 giờ, lớp bêtông nhựa

bề mặt trên bị nén, đồng thời nhiệt độ tăng lên rất cao Lớp bêtông nhựa bề mặt có thể bị mềm dẻo do nhiệt độ cao, dưới tác động của tải trọng xe qua lại, mặt đường có thể bị lún lõm xuống, dồn gồ lên, hằn sóng

- Trong thời gian mặt đường tỏa nhiệt, từ 18 giờ đến 6 giờ hôm sau, lớp bêtông nhựa bề mặt trên bị kéo Dưới tác dụng của tải trọng xe qua lại, mặt đường có thể bị bong tróc tạo thành các khuyết tật, ổ gà

34 36 38 40 42 44 46 48 50 52

54

Miền bị kéo

Miền bị nén

Nhiệt độ trung bình tuyến tính

Nhiệt độ thực

- Dưới tác động của thay đổi theo chu kỳ của nhiệt độ không khí và bức xạ mặt trời, các lớp bêtông nhựa trong áo đường xuất hiện các miền nén, giãn Các miền nén, giãn cũng thay đổi luân phiên theo chu kỳ ngày đêm, làm mặt đường bêtông nhựa rơi vào tình trạng mỏi nhiệt, rồi lâu dần có thể gây nên rạn nứt, làm hư hỏng mặt đường nhựa

1.2.3 Ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ tới khả năng làm việc của mặt đường bê tông nhựa [10]

Hỗn hợp bê tông nhựa là vật liệu có tính chất đàn hồi - nhớt - dẻo Trong quá trình khai thác mặt đường bê tông nhựa, đặc tính của vật liệu thiên về tính đàn hồi hay chảy dẻo phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ và điều kiện tác dụng của tải trọng

Với tính chất đàn hồi - nhớt - dẻo của hỗn hợp bê tông nhựa, vật liệu thể hiện đặc tính và ứng xử khác nhau phụ thuộc vào điều kiện khai thác, điển hình là đặc tính biến dạng trong điều kiện môi trường nhiệt độ cao Theo đó, biến dạng trượt trồi và lún vệt bánh xe xuất hiện phổ biến đối với mặt đường bê tông nhựa Nhưng khi nhiệt độ hạ thấp, tính dẻo của bê tông nhựa giảm rất nhanh và mặt đường trở nên giòn, dễ nứt dưới tác dụng của ứng suất nhiệt hay tải trọng xe

a Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ lún vệt bánh xe [8]

Hình 1 8 Đồ thị quan hệ giữa độ lún vệt bánh xe với nhiệt độ và số lần tác

dụng của tải trọng đối với bê tông nhựa loại B

Trên hình 1.8 trình bày nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Giao thông vận tải, cho thấy cùng với việc tăng nhiệt độ, độ lún vệt bánh xe tăng nhanh, đặc biệt khi nhiệt độ lớn hơn 60°C: khi tăng nhiệt độ từ 50°C lên 65°C, độ lún vệt bánh xe tăng hơn 3 lần (khi số lần tác dụng của tải trọng 15000) Các số liệu thí nghiệm của phòng thí nghiệm trường Đại học GTVT cho thấy, khi tăng nhiệt độ từ 50°C - 55°C đối với mẫu BTNC 19 (4,6% nhựa), thì độ lún vệt bánh xe sau 8000 lần tác dụng của tải trọng tăng 4 lần, từ 3mm - 12 mm

b Về mặt cường độ chống biến dạng có hai yếu tố ảnh hưởng là góc ma sát trong và lực dính, trong đó lực dính chịu ảnh hưởng nhiều của nhiệt độ Lực dính kết C gồm hai thành phần là C1 là lực liên kết do chèn móc giữa các hạt không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, C2 là thành phần lực liên kết do tác dụng dính bám giữa bi tum và hạt cốt liệu và lực liên kết bên trong của bi tum, thành phần C2 này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ

Đặc điểm cơ bản của bêtông nhựa là các tính chất của nó phụ thuộc vào nhiệt

độ Khi nhiệt độ cao, độ quánh của bi tum trong bê tông nhựa giảm xuống, lực dính kết giữa các phần tử yếu đi làm cho cường độ của bê tông nhựa giảm xuống [10]

Như vậy khi nhiệt độ không khí thay đổi thì nhiệt độ của bê tông mặt đường cũng thay đổi, dẫn đến sự thay đổi về bản chất của vật liệu bêtông nhựa, từ

đó làm thay đổi cơ chế chịu tải và phá hoại của mặt đường bê tông nhựa

Ở điều kiện nhiệt độ cao, bêtông nhựa bị giảm khả năng chống biến dạng, hay nói cách khác là do nhiệt độ tăng cao làm môđun đàn hồi của bê tông nhựa giảm

Quan hệ giữa mô đun đàn hồi với nhiệt độ đã được rất nhiều nghiên cứu trong

và ngoài nước đưa ra một số kết quả

+ Theo kết quả nghiên cứu của L.I.Goreski (Nga), quan hệ giữa nhiệt độ hỗn hợp và mô đun đàn hồi tương ứng của bê tông nhựa như sau:

Eb/a = 28100.e-0.0446tTrong đó:

t0C - Nhiệt độ hỗn hợp bê tông nhựa

+ Bằng nghiên cứu thực nghiệm, L.B Ghezensvây (Nga) đưa ra công thức:

Eb/a = k (t55 - t ) - E55

Trong đó:

k - Hệ số góc đường thẳng E = f(t0C)

E55 và t55 - Mô đun đàn hồi và nhiệt độ của bê tông nhựa ở 550C

+ Theo nghiên cứu của M.Rafiloiu (Rumani), đã lập được quan hệ giữa mô đun đàn hồi của bê tông nhựa với nhiệt độ và bề dày lớp mặt đường như sau:

Eb/a = E (1 - 0.03h )(1-1.18 logt/10) Trong đó:

h - Bề dày lớp mặt (cm)

t - Nhiệt độ tính toán (0C)

E - Mô đun đàn hồi (E≈ 60.000 kG/cm2)

+ C.Vander Poel đã kiến nghị sử dụng mô đun độ cứng làm chỉ tiêu biểu thị tính chất của vật liệu đàn hồi - dính dẻo khi xem xét ảnh hưởng của thời gian tác dụng tải trọng và ảnh hưởng của nhiệt độ đối với các đặc tính ứng suất biến dạng của vật liệu hỗn hợp Mô đun độ cứng là tỷ số ứng suất và tổng biến dạng của vật liệu trong điều kiện thời gian tác dụng của tải trọng và nhiệt

t - thời gian tác dụng tải trọng, s

T - nhiệt độ của vật liệu, oC

Trên thực tế, biến dạng của bê tông nhựa rất phức tạp bao gồm: biến dạng đàn hồi, biến dạng nhớt, biến dạng đàn hồi chậm, biến dạng dẻo tùy theo điều kiện thời tiết, nhất là nhiệt độ và loại bê tông nhựa

Chính vì đặc tính của bê tông nhựa phụ thuộc vào nhiệt độ nên các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa thường được xác định ở một nhiệt độ nhất định Nghĩa

là, nhiệt độ trở thành một chỉ tiêu để thiết lập các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng bê tông nhựa Thí nghiệm Marshall được sử dụng để đánh giá khả năng chống lại biến dạng dẻo hay trong thí nghiệm Hveem để xác định tính dính kết hay đặc tính chịu kéo của hỗn hợp bê tông nhựa với nhiệt độ qui định là

60oC

Các thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi bao gồm mô đun phức động và mô đun đàn hồi kéo gián tiếp tải trọng lặp được tiến hành ở 3 mức nhiệt độ khác nhau là 5oC, 20oC và 40oC tương ứng với các giá trị của hệ số nở ngang là 0.25, 0.35 và 0.4 Đây là các mức nhiệt độ tương ứng với điều kiện làm việc thông thường của bê tông nhựa (nứt gãy do ứng suất kéo ở nhiệt độ thấp là

5oC và biến dạng dẻo, cắt trượt trong điều kiện nhiệt độ cao 40oC) Thí nghiệm xác định MR đã được áp dụng như một trong những nội dung nghiên cứu của chương trình SHRP và căn cứ vào các kết quả thực nghiệm, người ta kết luận là mô đun đàn hồi giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng

1.2.4 Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến đặc điểm làm việc của mặt đường bêtông nhựa ở nước ta [23]

Nằm trong vùng Đông Nam châu Á, kéo dài từ vĩ tuyến > 8° đến vĩ tuyến > 23° (sát với đường bắc chí tuyến), Việt Nam là một nước có khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm, có gió mùa

Ở miền Bắc, mùa nóng thường kéo dài từ đẩu tháng 5 đến cuối tháng 9 hàng năm Vào mùa này tia nắng mặt trời gần như chiếu thẳng góc với mặt đất, nên

ở khu vực Hà Nội và phần lớn các tỉnh phía Bắc, nhiệt độ không khí tăng lên khá cao (nhiệt độ cao tuyệt đối tới +42°C) Tháng nóng nhất là tháng 6, tháng

7 có nhiệt độ không khí dao động trong phạm vi từ > 26°C đến > 30°C Số ngày có nhiệt độ tổng hợp > 24°C chiếm từ 100 đến 120 ngày Lượng bức xạ tống cộng rất lớn, có thể đạt trên 950 đến 1080 kcal/m2

.h

Vào mùa lạnh (từ tháng 11 đến tháng 4), nhiệt độ không khí tổng hợp trong mùa đông nhỏ hơn 8°C Trong mùa lạnh ớ khu vực Hà Nội và vùng đồng bằng Bắc Bộ nhiệt độ thấp, trung bình của không khí thường vào khoảng +14°C

Ở phía Nam, có vị trí cận xích đạo, chỉ có hai mùa rõ rệt là 6 tháng mùa khỏ

và 6 tháng mùa mưa Mùa khô kéo dài từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau Vào mùa này mưa rất ít, lượng mưa chỉ chiếm 5% cả năm, nhiệt độ cao nhất trong ngày thường từ +32 - 35°C Có những ngày đặc biệt nóng, nhiệt độ không khí lớn nhất có khi đạt tới 36 - 37°C Số giờ nắng trung bình trong một ngày là 6 -

8 giờ với lượng bức xạ mỗi ngày là 368,5 cal/cm2 Ở thành phố Hồ Chí Minh

số liệu quan trắc của đài khí tượng thủy văn cho thấy, nhiệt độ không khí ít thay đổi giữa các tháng trong năm, biên độ dao động trong khoảng 5 - 7°C, nhiệt độ trung bình hằng năm là +27°C

Với điều kiện khí hậu nhiệt đới của nước ta như vậy nên mặt đường bê tông nhựa thường xuyên phải làm việc ở nhiệt độ cao vào mùa nóng, bất lợi ở cả hai miền Nam và Bắc Cụ thể là vào mùa nóng, nhiệt độ đo được trên mặt đường nhựa khoảng giữa trưa trong ngày thường rất cao (+50°C đến +60°C)

và có thời điểm lên tới +70°C, mặt đường thường bị nung nóng 5 - 6 giờ liền trong một ngày

1.2.5 Nhiệt độ thiết kế trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm

a Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm của Việt Nam 22TCN 211-06 [4]

Xét đến điều kiện nhiệt độ và độ ẩm, mùa hè là thời kỳ bất lợi vì mưa nhiều

và nhiệt độ tầng mặt cao Do vậy, khi tính toán cường độ theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi, chỉ tiêu của bê tông nhựa được lấy tương ứng với nhiệt độ tính

toán là 30oC Tuy nhiên, tính toán theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn thì tình trạng bất lợi nhất đối với bê tông nhựa và hỗn hợp đá dăm nhựa lại là mùa lạnh, do vậy lúc này phải lấy trị số mô đun đàn hồi tính toán của chúng tương đương với nhiệt độ 10-15o

C

Khi tính toán điều kiện cân bằng trượt thì nhiệt độ tính toán lớp dưới vẫn được chọn là 30oC, riêng với lớp nằm trên cùng nhiệt độ được chọn lại là

60oC

b Nhiệt độ mặt đường theo Superpave của Mỹ [26], [29]

Theo Superpave nhiệt độ cao nhất và thấp nhất của mặt đường trong điều kiện khai thác thực tế được sử dụng để lựa chọn loại nhựa đường dùng cho bê tông nhựa Superpave định nghĩa nhiệt độ cao thiết kế mặt đường là nhiệt độ tại độ sâu 20mm đối với mặt đường và nhiệt độ thấp thiết kế là nhiệt độ tại bề mặt mặt đường

Nhiệt độ cao được định nghĩa là nhiệt độ trung bình 7 ngày nóng nhất trong năm tính cho chu kỳ khai thác của mặt đường

Nhiệt độ thấp được định nghĩa là nhiệt độ 1 ngày thấp nhất trong năm tính cho chu kỳ khai thác của mặt đường

Để lựa chọn nhiệt độ, theo Superpave cần có số liệu quan trắc nhiệt trong nhiều năm Những trạm quan trắc có số liệu nhỏ hơn 20 năm sẽ không được

sử dụng để tính toán nhiệt độ dùng cho việc thiết kế

c Nhiệt độ thiết kế trong tiêu chuẩn của Nga [30]

Tiêu chuẩn thiết kế được dựa trên giả thiết kết cấu mặt đường mềm là hệ nhiều lớp đàn hồi trên nền đường là bán không gian vô hạn đàn hồi để tính toán các ứng suất, biến dạng ở vị trí cực hạn so với các thông số tương ứng các trạng thái giới hạn:

Độ võng đàn hồi giới hạn thể hiện qua giá trị môđun đàn hồi yêu cầu tối thiểu, được xác định phụ thuộc vào tổng số tải trọng trục tính toán tích lũy

trong thời gian phục vụ của áo đường và hệ số tính đến loại tải trọng tính toán, có xét đến yếu tố chiết giảm vùng khí hậu và hệ số tin cậy

Ứng suất kéo uốn giới hạn được tính toán cho lớp mặt bê tông nhựa và các lớp móng gia cố vô cơ theo cường độ chịu kéo khi uốn của vật liệu và các hệ

số có xét đến tổng số tải trọng trục tính toán tích lũy trong thời gian phục vụ, loại vật liệu liền khối tính toán, hệ số điều kiện tải trọng thực tế và hệ số tin cậy

Ứng suất cắt trượt giới hạn được tính toán cho lớp nền và các lớp móng bằng vật liệu rời, phụ thuộc lực dính và góc nội ma sát của lớp vật liệu kiểm toán được lấy theo số lần tích lũy của tải trọng trục tính toán trong thời kỳ thiết kế Các hệ số đều xét đến điều kiện làm việc đồng nhất giữa các lớp, chiều dày và trọng lượng riêng trung bình của các lớp vật liệu nằm trên lớp kiểm toán Yếu tố nhiệt trong tiêu chuẩn của Nga cũng được xem xét bằng cách qui định trị số mô đun đàn hồi tính toán được qui định theo trạng thái giới hạn tính toán và theo đặc điểm của từng đoạn đường, có xét đến các tác động ngắn hạn nhiều lần của hoạt tải gọi là tải trọng tức thời và tải trọng dài hạn (tại các vị trí điểm đỗ, dừng, tại nút giao cắt, tại bãi đỗ xe cũng như tác động về thời gian không ít hơn 10 phút gọi là tải trọng dài hạn)

1.2.6 Những bất cập trong việc chọn trị số mô đun đàn hồi thiết kế mặt đường bêtông nhựa

a Mô đun đàn hồi của bêtông nhựa

Môđun đàn hồi bêtông nhựa là đặc trưng quan trọng của việc tính toán kết cấu áo đường mềm, trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành ở nước ta hiện nay là 22TCN 274-01 và 22 TCN211-06 giá trị mô đun đàn hồi không đề cập đến sự ảnh hưởng của nhiệt độ của môi trường của từng địa phương mà chỉ đưa ra một giá trị chung cho toàn quốc

Giá trị mô đun đàn hồi ở hai quy trình hiện hành của nước ta là 22TCN

274-01 [3], 22TCN 211-06 [4] như sau:

Bảng 1 1 Mô đun đàn hồi tính toán của bê tông nhựa trong tiêu chuẩn 22TCN

274-01

Loại vật liệu Giá trị mô đun đàn hồi

(MPa) Mô hình thí nghiệm

b Những bất cập trong việc chọn trị số mô đun đàn hồi thiết kế mặt đường bêtông nhựa ở nước ta

Như vậy, việc quy định trị số mô đun đàn hồi của bêtông nhựa và đặc tính cơ học của bêtông nhựa trong tiêu chuẩn thiết kế mặt đường bêtông nhựa thống nhất nhau trên toàn quốc, không có sự khác biệt giữa các địa phương với nhau, điều này cần được nghiên cứu bổ sung cho phù hợp hơn

Như ta biết các đặc trưng cơ học nói chung và mô đun đàn hồi nói riêng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ và thời gian tác dụng của tải trọng

Bêtông nhựa có một nhược điểm cơ bản là cường độ và khả năng chống biến dạng của bêtông nhựa luôn thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của mặt đường Do bản chất của bêtông nhựa là vật liệu đàn hồi-nhớt-dẻo, nên khi