BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN THIỆN LƯU NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG ASPHALT LÀM LỚP MẶT ĐƯỜNG TẠI VIỆT NAM Ngành : Kỹ thu
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRẦN THIỆN LƯU
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG ASPHALT LÀM LỚP
MẶT ĐƯỜNG TẠI VIỆT NAM
Ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông
Mã số : 62580205
Chuyên ngành : Xây dựng đường ô tô và đường thành phố
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội, 2015
Trang 2Công trình được hoàn thành tại Khoa Công trình -
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Người hướng dẫn khoa học:
GS.TS Nguyễn Xuân Đào - Viện KHCN GTVT
Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục
Trường Đại học Xây dựng Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Thúc Tuyên
Trường Đại học Thủy Lợi Phản biện 3: GS.TS Phạm Cao Thăng
Học Viện Kỹ thuật Quân sự
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 2015
Có thể tìm hiểu luận án tại:
Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện trường Đại học Giao thông Vận tải
Trang 3Research on Factors Affecting Asphalt Concrete Fatigue
of Road Pavement in Vietnam
Abstract
Asphalt concrete is a popular material used for making road surfaces in the world in general and Vietnam in particular The performance of this type of material denpends mainly on the properties of the bitumen used Bitumen is a product which is extracted from crude oil Bitumen is has the property of visco-elasticity which is easy to be affected by changes in temperature Therefore, the performance of asphalt concrete changes when the temperature changes Specifically, asphalt concrete becomes softer when the temprature increases and harder when the temperature decreases There are two main types of serious damage to asphalt concrete road surfaces: rutting and fatigue crack A large number of researches on asphalt concrete fatigue have been conducted and implemented in designing and building roads in the world However,
in Vietnam, almost no research of such type has been conducted This research is the first to consider the effects of asphalt concrete fatigue on the pavement performance in Vietnam The research presents results of experiments on fatigue life of asphalt concrete done in specific conditions of environmental temprature, loads, and aggregate composition in Vietnam The material types used in this research were dense-graded hot-mix asphalt 12.5 mm (HMA 12.5) and dense-graded hot-mix asphalt 19mm (HMA 19) made at construction sites with technologies widely used in Vietnam The composition of the HMA was designed with difference in type
of mineral filler The three types of mineral filler used were: Andesit powder, CaCO3 powder, and the mixture of CaCO3 and cement (weight ratio 1:1)
The experiment was conducted employing the standards stated
Trang 4in ASTM - Designation: D7460 - 10 under strain control mode by four-point flexural beam fatigue test device available at University of Transport and Communication Based on such experiment, the affects of aggregate size and mineral filler on fatigue performance of asphalt concrete mixture was assessed corresponding to different values of temperature and load frequency On the basis of this research a fatigue performance audit procedure in pavement surface design was proposed In addition, the service life of asphalt concrete layer in pavement structure was also determined by analyzing the fatigue resistance Furthermore, this research lays the foundation for further researches into asphalt concrete fatigue in Vietnam
Trang 5MỞ ĐẦU
Mỏi là hiện tượng nứt gãy dưới tác dụng của tải trọng lặp mà ở
đó trị số lớn nhất của ứng suất nhỏ hơn cường độ chịu kéo của vật liệu Phá hoại mỏi là một trong những dạng phá hoại phổ biến của bê tông asphalt
1 Lý do chọn đề tài
Trên thế giới, nứt mỏi là dạng phá hoại được định tính và định lượng một cách rõ ràng nhất thông qua nhiều mô hình và thí nghiệm khác nhau Nhiều nơi đã áp dụng kết quả nghiên cứu mỏi vào khâu thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, thiết kế kết cấu áo đường mềm có
lớp bê tông asphalt đảm bảo điều kiện chịu mỏi
Tại Việt Nam (VN), cho đến nay mỏi bê tông asphalt vẫn chưa được triển khai nghiên cứu về mặt thực nghiệm một cách cụ thể Các nghiên cứu về độ bền mỏi bê tông asphalt còn hạn chế, hiện chỉ dừng
ở mức tập hợp lý thuyết Vấn đề ứng dụng kết quả nghiên cứu mỏi bê
tông asphalt của thế giới vào VN cũng chưa thực sự được quan tâm Xuất phát từ thực tế đó, nghiên cứu sinh thực hiện đề tài “Nghiên
cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam”
2 Mục đích nghiên cứu
Tìm ra quy luật cho phá hoại mỏi của bê tông asphalt ở các điều kiện thí nghiệm khác nhau Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho việc thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt và thiết kế kết cấu áo đường mềm có
xét đến đặc tính mỏi của vật liệu bê tông asphalt
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Bê tông asphalt loại BTNC 12,5 và BTNC 19; nghiên cứu ảnh hưởng của một số loại bột khoáng (bột đá Andesit, bột CaCO3, bột CaCO3 + xi măng (XM)) đến đặc tính kháng mỏi của bê tông asphalt
Trang 64 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Công trình nghiên cứu này bước đầu sẽ góp phần xây dựng hệ thống lý luận về mỏi bê tông asphalt ở Việt Nam
Kết quả nghiên cứu được áp dụng vào khâu thiết kế kết cấu áo đường có xét đến đặc tính mỏi bê tông asphalt, và xác định tuổi thọ mỏi khai thác cho lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường
6 Kết cấu của luận án
Luận án trình bày trong 129 trang gồm mở đầu, nội dung nghiên cứu gồm 4 chương, kết luận - kiến nghị, hướng nghiên cứu tiếp theo, danh mục công trình của tác giả, tài liệu tham khảo
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ Chương 1.
ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI CỦA BÊ TÔNG ASPHALT
1.1 Định nghĩa mỏi
Mỏi có thể được định nghĩa như là hiện tượng nứt gãy của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng trùng phục hoặc ứng suất thay đổi trong điều kiện giá trị cực đại của ứng suất này nhỏ hơn cường độ chịu kéo của vật liệu
1.2 Các dạng nứt do mỏi đã được nghiên cứu
- Nứt từ dưới lên (nứt dạng cá sấu)
- Nứt từ trên xuống (nứt theo chiều dọc)
1.3 Phân tích các nghiên cứu liên quan về các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của bê tông asphalt
Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã được thực hiện và tập trung vào các yếu tố chính sau:
- Nhóm liên quan đến tải trọng: trị số độ lớn tải trọng, chế độ tải,
Trang 7hình dạng sóng tải, thời gian nghỉ (rest period) và tần số tải
- Nhóm liên quan đến môi trường: độ ẩm, nhiệt độ, bức xạ nhiệt
- Nhóm liên quan đến hỗn hợp bê tông asphalt: thành phần hỗn hợp, loại/hàm lượng bi tum, loại/thành phần cấp phối và độ rỗng
1.4 Mô hình và chế độ kiểm soát thí nghiệm mỏi
1.4.2 Các chế độ kiểm soát thí nghiệm mỏi
Thí nghiệm mỏi được thực hiện bằng 2 cách: khống chế ứng suất không đổi và khống chế biến dạng không đổi [32]
1.5 Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng độ bền mỏi BTN
1.5.1 Trên thế giới
Phương pháp mới thiết kế kết cấu áo đường (kết hợp cơ học - thực nghiệm) thì độ bền mỏi luôn được tính đến Phương pháp ME-Darwin (ME PDG) [25] mới nhất của Mỹ là dạng như vậy Phương pháp thiết kế áo đường của Viện Asphalt (AI) được coi là phương pháp “bán thực nghiệm” với các thông số cơ học liên quan đến mỏi
và biến dạng vĩnh cửu luôn được sử dụng [23] Ở Pháp, Đức chủ yếu vẫn theo phương pháp kết hợp cơ học - thực nghiệm Phương pháp thiết kế mặt đường của Pháp (FPD) là điển hình trong số đó Yếu tố
cơ học đều có tính đến độ bền mỏi của bê tông asphalt, độ bền mỏi được kiểm tra trong bước thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt
Các kết quả nghiên cứu về mỏi bê tông asphalt trên thế giới đều chỉ ra mối tương quan giữa biến dạng/ứng suất với số lần tác dụng của tải trọng làm phá hoại vật liệu Những kết quả đó được ứng dụng
Trang 8vào trong thiết kế kết cấu áo đường Cụ thể là lựa chọn kết cấu áo đường có lớp bê tông asphalt đảm bảo khả năng chịu mỏi (phá hoại mỏi không xuất hiện trước 106 chu kỳ tải tác dụng) Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng về mỏi bê tông asphalt tiêu biểu như: NCHRP, NCAT, ME PDG (DARWin-ME), Shell, LCPC,
1.5.2 Tại Việt Nam
Cho đến nay chưa có công trình nghiên cứu thực nghiệm về mỏi
bê tông asphalt được thực hiện tại Việt Nam Đối với tiêu chuẩn thiết
kế hiện hành, phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt và thiết
kế kết cấu áo đường mềm theo [9], [10] ở VN chưa xét đến yếu tố mỏi bê tông asphalt một cách rõ ràng Cụ thể chúng ta chưa có định lượng trong việc thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt đạt yêu cầu về khả năng chịu mỏi, cách kiểm toán mỏi trong thiết kế kết cấu áo đường mềm chưa tường minh Tiêu chuẩn [9] là phương pháp lý thuyết dựa trên tiêu chuẩn [51] của Nga Yếu tố mỏi chỉ được xét đến thông qua
hệ số k1 khi kiểm toán kéo uốn ở đáy lớp vật liệu liền khối
1.6 Những vấn đề tồn tại luận án cần giải quyết
Thế giới nghiên cứu và ứng dụng về mỏi bê tông asphalt đã được thực hiện từ khá lâu Tại VN, đến nay mỏi bê tông asphalt chưa được triển khai nghiên cứu về mặt thực nghiệm một cách cụ thể Các tiêu chuẩn thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, thiết kế kết cấu áo đường mềm chưa xem xét rõ và chưa có khuyến cáo cụ thể về vấn đề đảm bảo điều kiện chịu mỏi cho bê tông asphalt Luận án bước đầu triển khai nghiên cứu thực nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt trong điều kiện vật liệu chế tạo và thí nghiệm phù hợp cho VN
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG Chương 2.
ASPHALT TRONG MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN CỦA VIỆT NAM
Nghiên cứu trên mẫu dầm bê tông asphalt được chế tạo và thi công giống hoàn toàn với thực tế sử dụng loại vật liệu này Thí nghiệm mỏi bằng thiết bị uốn dầm 4 điểm
Trang 92.1 Xác định các thông số chính cho thí nghiệm mỏi
2.1.1 Nhiệt độ thí nghiệm
Chọn 2 mức nhiệt độ quy ước mang tính bất lợi cho độ bền mỏi
bê tông asphalt và đặc trưng cho 2 khu vực có khí hậu cao, thấp ở VN
- Thí nghiệm mỏi kết thúc khi mô đun độ cứng giảm còn 50% mô đun độ cứng ban đầu
2.1.4 Vật liệu bê tông asphalt
- Loại bê tông asphalt
Nghiên cứu chính của luận án là loại BTNC 12,5 và BTNC 19 Riêng BTNC 19 được thí nghiệm ở một điều kiện 10o
C, 10Hz; sử dụng bi tum 60/70 (Shell)
- Bột khoáng: nghiên cứu sử dụng 3 loại bột khoáng: bột đá nghiền từ đá Andesit (BD), bột đá vôi CaCO3 (CC); hỗn hợp gồm 50% bột CaCO3 + 50% xi măng (CX)
2.1.5 Tổng hợp mẫu thí nghiệm
Nghiên cứu thực hiện trên 46 mẫu chính thức
2.2 Chế tạo mẫu
2.2.1 Thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt
- Vật liệu: đá dăm, cát tự nhiên, bi tum được lấy từ trạm trộn BTN Đông Sung, thuộc Công ty CP CTGT Bà Rịa - Vũng Tàu
Trang 10- BTNC 12,5 được thiết kế chung chỉ với sự khác nhau của 3 loại bột khoáng sử dụng, ký hiệu: BTNC 12,5 (BD), BTNC 12,5 (CC), BTNC 12,5 (CX)
- BTNC 19 sử dụng loại bột khoáng là bột đá Andesit (BD)
2.2.2 Thi công tại hiện trường (Hình 2.1)
Hình 2.1 Thi công lớp BTNC 12,5 và BTNC
19 (Quốc lộ 51B)
Cắt mẫu tại hiện trường 2.2.3 Gia công mẫu thí nghiệm
- Cắt mẫu tại hiện trường (Hình 2.2)
- Gia công mẫu dầm tại xưởng (Hình 2.3)
Trang 11Vật liệu Hàm lượng lọt sàng (%)
BTNC 19 100,0 96,7 81,2 72,7 49,8 32,7 20,7 14,5 11,0 7,6 5,8
- Chỉ tiêu cơ lý bê tông asphalt
Bảng 2.2 Các chỉ tiêu cơ lý BTNC 12,5 và BTNC 19 sau thi công
TT Chỉ tiêu thí nghiệm
Kết quả BTNC
12,5 (BD)
BTNC 12,5 (CC)
BTNC 12,5 (CX) BTNC 19
1 Độ rỗng cốt liệu, % 17,12 17,72 17,67 17,34
2 Độ rỗng dư, % 4,33 4,58 4,46 4,66
3 Độ ổn định ở 60o
C, 40phút, kN 12,64 12,05 13,64 11,93
Đánh giá độ tin cậy của kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 theo [39] cho thấy độ lệch chuẩn của log số chu kỳ phá hoại (Nf50) ở từng mức biến dạng đều nhỏ hơn 0,787 Như vậy kết quả thí nghiệm mỏi
đã thực hiện đạt độ tin cậy
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐỘ BỀN MỎI Chương 3.
BÊ TÔNG ASPHALT
3.1 Kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 (BD)
Trang 12Nhiệt độ thấp (10oC) tốc độ suy giảm mô đun độ cứng ở tần số cao (10Hz) là nhanh hơn ở tần số thấp (5Hz) Nhiệt độ cao (20oC) ảnh hưởng của tần số đến sự suy giảm mô đun độ cứng là rõ rệt hơn
Ở giai đoạn cuối thí nghiệm, khi mà mức độ suy giảm mô đun độ cứng còn lại 50% mô đun độ cứng ban đầu thì ảnh hưởng của tần số tải khi thí nghiệm ở nhiệt độ cao (20oC) là nhiều hơn
Hình 3.2 So sánh độ bền mỏi BTNC 12,5 ở các điều kiện thí nghiệm 3.1.2 Ứng suất ()
(a)
0 500.000 1.000.000 1.500.000 2.000.000 2.500.000
Trang 13Chế độ khống chế biến dạng, tải trọng lặp làm mô đun độ cứng suy giảm, theo đó ứng suất cũng suy giảm Quá trình giảm ứng suất mẫu thí nghiệm ở 10oC, 5 Hz biểu diễn Hình 3.3
Hình 3.3 Biểu đồ giảm ứng suất theo tải trọng lặp ở 10o
C, 5Hz Khi tăng mức biến dạng thì tốc độ tăng ứng suất trong dầm thí nghiệm là rất nhanh Điều đó đồng nghĩa với tải trọng nặng sẽ làm xuất hiện biến dạng kéo lớn và gây ra ứng suất rất lớn trong bê tông asphalt Ở biến dạng nhỏ (100) thì ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng suất là rất lớn
3.1.3 Lực tác dụng (F)
Chế độ thí nghiệm khống chế biến dạng, lực tác dụng sẽ giảm dần theo mức giảm của ứng suất Mức giảm này nhanh ở giai đoạn đầu và chậm dần ở giai đoạn sau của quá trình chịu tải trọng lặp Lực tác dụng lên mẫu tỷ lệ thuận với biến dạng và tần số; tỷ lệ nghịch với nhiệt độ Bê tông asphalt trở nên cứng, giòn trong môi trường nhiệt độ thấp và mềm ở nhiệt độ cao; đồng thời khi tăng mức biến dạng (tăng độ lớn lực tác dụng) thì ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ cũng giảm đi Lực tác dụng ảnh hưởng rất lớn đến sự suy giảm độ bền mỏi, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp
Trang 14độ võng cực đại (ứng với lực tác dụng cực đại) Góc lệch pha này () thay đổi theo mô đun độ cứng Điển hình ở 20o
C, 5 Hz biểu đồ góc lệch pha của BTNC 12,5 (BD) được thể hiện tại Hình 3.4
Hình 3.4 Biểu đồ quan hệ giữa góc lệch pha với mô đun độ cứng
BTNC 12,5 (BD) ở 20o
C Góc lệch pha tăng đều khi mô đun độ cứng giảm Ở nhiệt độ cao (20oC) góc lệch pha tăng không đều Giai đoạn đầu góc lệch pha tăng rất nhanh, giai đoạn sau tăng chậm dần; điều này hoàn toàn phù hợp với quá trình suy giảm mô đun độ cứng Sự thay đổi góc lệch pha như phân tích trên được giải thích theo tính chất của bê tông asphalt là cứng ở nhiệt độ thấp, khi đó đặc tính đàn hồi của vật liệu được thể hiện rõ hơn Ở nhiệt độ cao cũng như vật liệu sau một quá trình chịu tác dụng của tải trọng lặp, đặc tính đàn hồi của bê tông asphalt giảm dần, đặc tính nhớt của nó tăng lên
Góc lệch pha tỷ lệ thuận với nhiệt độ, biến dạng; tỷ lệ nghịch với tần số tải Kết quả phân tích cho thấy ảnh hưởng của tần số là khá lớn đến sự thay đổi góc lệch pha ban đầu cũng như góc lệch pha của vật liệu bê tông asphalt trong quá trình chịu tải trọng lặp
3.1.5 Xây dựng biểu thức đặc trưng mỏi BTNC 12,5 (BD)
Các đường đặc trưng mỏi và phương trình độ bền mỏi BTNC 12,5 (BD) ở các điều kiện thí nghiệm thể hiện tại Hình 3.5 và công thức (3.1), (3.2), (3.3), (3.4)
