NGHIÊN cứu một số yếu tố ẢNH HƯỞNG đến BIẾN DẠNG lún vệt BÁNH XE có xét đến đặc TÍNH mỏi của bê TÔNG NHỰA CHẶT làm lớp mặt ĐƯỜNG VIỆT NAM (full)

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI BÙI NGỌC HƯNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BIẾN DẠNG LÚN VỆT BÁNH XE CÓ XÉT ĐẾN ĐẶC TÍNH MỎI CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT LÀM LỚP MẶT

Trang 1

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÙI NGỌC HƯNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BIẾN DẠNG LÚN VỆT BÁNH XE CÓ XÉT ĐẾN

ĐẶC TÍNH MỎI CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT LÀM LỚP

MẶT ĐƯỜNG VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2016

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI

Bùi Ngọc Hưng

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BIẾN DẠNG LÚN VỆT BÁNH XE CÓ XÉT ĐẾN

ĐẶC TÍNH MỎI CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT LÀM LỚP

MẶT ĐƯỜNG VIỆT NAM

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

Mã số : 62.58.02.05

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Vũ Đức Chính

GS TS Dương Học Hải

Hà Nội, 2016

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Được sự hướng dẫn nhiệt tình của các thầy hướng dẫn, sự ủng hộ của Viện Khoa học và Công nghệ GTVT, sự giúp đỡ của thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè, người thân, với sự nỗ lư ̣c của bản thân, luận án “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng lún vệt bánh xe có xét đến đặc tính mỏi của bê tông nhựa chặt làm lớp mặt đường Việt Nam” của tôi – Nghiên cứu sinh Bùi Ngọc Hưng đã hoàn thành

Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Viện Khoa học và Công nghệ GTVT, các đơn vi ̣ trực thuộc Viện Khoa học và Công nghệ GTVT: Phòng thí nghiệm Trọng điểm Đường bộ I, Viện chuyên ngành Đường bộ và Sân bay, Phòng Tổ chức – Hành chính, Phòng Khoa học Công nghệ, Tiêu chuẩn và Hợp tác quốc tế đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ

Bằng những tình cảm chân thành nhất, tác giả vô cùng cảm ơn, GS.TS Dương Học Hải, PGS.TS Vũ Đức Chính, hai người Thầy đã định hướng, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận án Cảm ơn TS Trần Ngọc Huy, TS Nguyễn Quang Phúc đã cung cấp thêm nhiều thông tin, tài liệu thiết thực và cung cấp cho tôi nhiều kiến thức chuyên môn liên quan

Chân thành cảm ơn các thầy, cô và đồng nghiệp tại Bộ môn Đường bộ, Bộ môn Vật liệu Xây dựng - Trường Đại học Giao thông Vận tải đã giúp đỡ, chỉ bảo cho tôi các kiến thức chuyên môn, góp phần không nhỏ để tôi hoàn thành luận án

Cảm ơn gia đình và bạn bè, những người thân luôn ở bên tôi, ủng hộ và khích lệ tôi hoàn thành luận án tiến sỹ này

Trân trọng

Nghiên cứu sinh Bu ̀ i Ngọc Hưng

Trang 4

MỤC LỤC

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv

DANH MỤC HÌNH ẢNH xvi

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Ti ́nh cần thiết của luâ ̣n án 1

3 Đối tươ ̣ng và pha ̣m vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Nô ̣i dung nghiên cứu 2

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 2

7 Cấu trúc của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÚN VỆT BÁNH XE VÀ MỎI CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT 4

1.1 Sư ̣ cần thiết nghiên cứu lún vê ̣t bánh xe và nứt mỏi của bê tông nhựa 4

1.2 Lu ́ n vê ̣t bánh xe 4

1.2.1 Khái niê ̣m về lún vệt bánh xe 4

1.2.2 Các da ̣ng lún vệt bánh xe 5

1.2.2.1 Lún vệt bánh xe do BTN bi ̣ chảy dẻo - Instability Rutting (Plastic Flow) 5 1.2.2.2 Lún vệt bánh xe do kết cấu - Structural Rutting 7

1.2.2.3 Lún vệt bánh xe lớp mặt BTN- Surface/Wear Rutting 7

1.2.3 Các phương pháp thí nghiệm lún vệt bánh xe 8

1.2.3.1 Các phương pháp thí nghiê ̣m theo Nhóm 1 8

1.2.3.2 Các phương pháp thí nghiê ̣m theo Nhóm 2 12

1.2.4 Các phương pháp dự báo lún vệt bánh xe 14

1.2.4.1 Phương pháp đánh giá tuổi thọ kết cấu mặt đường thông qua tiêu chuẩn LVBX 14

1.2.4.2 Phương pháp thiết kế cơ học - thực nghiệm 15

1.2.4.3 Phương pháp của chương trình nghiên cứu chiến lược đường ô tô SHRP 16 1.2.4.4 Phương pháp của Shell sử dụng tiện ích SPDM 16

Trang 5

1.2.5 Các phương pháp xác định lún vệt hằn bánh xe ngoài hiện trường 17

1.2.5.1 Phương pháp đo đạc mặt cắt ngang mặt đường (Transverse Surface Profile) 17

1.2.5.2 Phương pháp sử dụng thước đo theo ASTM E1703/E1703M 17

1.2.5.3 Phương pháp sử dụng thiết bị laser để đo lún vệt hằn bánh xe 17

1.3 Nư ́ t do mỏi 17

1.3.1 Khái niê ̣m 17

1.3.2 Phương pháp thí nghiê ̣m mỏi BTN theo mô hình uốn dầm 4 điểm 18

1.3.2.1 Bản chất của phương pháp thí nghiê ̣m mỏi uốn dầm 4 điểm 19

1.3.2.2 Nhiệt đô ̣ thí nghiê ̣m mỏi 20

1.3.2.3 Tần số tải thí nghiê ̣m mỏi 21

1.3.2.4 Chế độ thí nghiệm mỏi 22

1.3.3 Phương pháp dự báo tuổi tho ̣ mỏi của bê tông nhựa 22

1.4 Ca ́ c yếu tố ảnh hưởng đến lún vệt bánh xe và nứt mỏi của bê tông nhựa 23

1.4.1 Ảnh hưở ng của các yếu tố liên quan đến BTN 23

1.4.1.1 Ảnh hưở ng của nhựa đường 23

1.4.1.2 Ảnh hưở ng của cốt liê ̣u 25

1.4.1.3 Ảnh hưở ng của hỗn hợp BTN 27

1.4.2 Ảnh hưở ng của lưu lượng xe, tải tro ̣ng xe, tốc đô ̣ dòng xe, nhiê ̣t đô ̣ môi trường 30

1.4.2.1 Ảnh hưở ng của lưu lượng xe 30

1.4.2.2 Ảnh hưở ng của tải tro ̣ng tru ̣c xe 30

1.4.2.3 Ảnh hưở ng của áp suất hơi bánh xe 31

1.4.2.4 Ảnh hưở ng của tốc đô ̣ dòng xe 32

1.4.2.5 Ảnh hưở ng của nhiê ̣t đô ̣ 32

1.4.3 Ảnh hưở ng của các yếu tố khác 33

1.4.3.1 Kết cấu áo đường 33

1.4.3.2 Chất lượng vật liệu, thiết kế hỗn hợp và thi công bê tông nhựa 33

1.5 Ca ́ c kết quả nghiên cứu liên quan đến lún vệt bánh xe và nứt mỏi của bê tông nhựa 34

1.5.1 Trên thế giới 34

1.5.2 Tại Việt Nam 35

Trang 6

1.5.2.1 Tiêu chuẩn kỹ thuâ ̣t, văn bản pháp quy 35

1.5.2.2 Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ 36

1.5.2.3 Luận án tiến sỹ 37

1.6 Những vấn đề tồn tại cần giải quyết trong luận án 38

1.6.1 Về ảnh hưởng của mức đô ̣ thô của “cấp phối thô” đến lún vệt bánh xe 38

1.6.1.1 Phân tích 38

1.6.1.2 Lựa cho ̣n 39

1.6.2 Về nguyên nhân gây lún vệt bánh xe của mă ̣t đường bê tông nhựa xảy ra trong những năm gần đây 39

1.6.2.1 Phân tích 39

1.6.2.2 Lựa cho ̣n 39

1.6.3 Về ảnh hưởng liên quan đến đồng thời lún vệt bánh xe và độ bền mỏi của bê tông nhựa 39

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG LÚN VỆT BÁNH XE QUA KẾT QUẢ KHẢO SÁT HIỆN TRƯỜNG 41

2.1 Mục đích và nội dung khảo sát hiện trường 41

2.1.1 Mục đích 41

2.1.2 Nội dung khảo sát hiện trường 41

2.2 Kết quả khảo sát hiện trường lún vệt bánh xe tại một số dự án 43

2.3 Tổng hợp các kết quả khảo sát, thí nghiệm, kiểm định trong dự án có hư hỏng lún vệt bánh xe 45

2.3.1 Nội dung khảo sát phạm vi hư hỏng lún vệt bánh xe trong kết cấu mặt đường 45

2.3.2 Nhận xét, đánh giá kết quả khảo sát, thu thập số liệu về lưu lượng, tải trọng, tính toán kết cấu mặt đường và nhiệt độ tại một số dự án 46

2.3.2.1 Dự án xây dựng Quốc lộ 1A, đoạn số 01 46

2.3.2.4 Dự án xây dựng Quốc lộ 3 cũ, đoạn số 04 49

2.3.3 Nhận xét, đánh giá kết quả kiểm định các lớp kết cấu mặt đường tại nhiều dự án 50

2.3.3.1 Các mẫu bê tông nhựa không đạt yêu cầu về chiều dày và dính bám 50

2.3.3.2 Các mẫu bê tông nhựa không đạt yêu cầu các chỉ tiêu cơ lý trên mẫu chế bị 50

Trang 7

2.3.3.3 Các mẫu bê tông nhựa không đạt yêu cầu các chỉ tiêu cơ lý trên mẫu khoan

53

2.3.3.4 Các mẫu bê tông nhựa không đạt yêu cầu về thành phần hạt và hàm lượng nhựa 54

2.3.3.5 Các mẫu cấp phối đá dăm móng trên và móng dưới không đạt yêu cầu về chiều dầy, thành phần hạt và độ chặt đầm nén 55

2.4 Phân tích, đánh giá nguyên nhân hư hỏng lún vệt bánh xe tại một số dự án điển hình 56

2.4.1 Phạm vi hư hỏng lún vệt bánh xe trong kết cấu mặt đường mềm 56

2.4.2 Thiếu chiều dầy các lớp kết cấu áo đường và dính bám kém 56

2.4.3 Chất lượng thi công các lớp kết cấu áo đường tại các vị trí kiểm tra không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật 56

2.4.4 Lưu lượng và tải trọng trục xe 56

2.4.4.1 Lưu lượng xe 56

2.4.4.2 Tải trọng trục xe 57

2.4.4.3 Lựa chọn mô đun đàn hồi yêu cầu (Eyc) 57

2.4.5 Nhiệt độ không khí và nhiệt độ mặt đường khu vực khảo sát 57

2.5 Kết luận chương 2 57

2.5.1 Qua kết quả khảo sát 57

2.5.2 Đánh giá, đề xuất và hướng nghiên cứu thực nghiệm trong phòng 58

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ LÚN VỆT BÁNH XE VÀ MỎI CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT ĐIỂN HÌNH 59

3.1 Mục đích và nội dung nghiên cứu thực nghiệm trong phòng 59

3.1.1 Mục đích 59

3.1.2 Các nội dung nghiên cứu thực nghiệm 59

3.1.3 Phân tích lựa chọn thông số đầu vào 60

3.1.3.1 Lựa cho ̣n cấp phối theo mức đô ̣”thô” và thiết kế cấp phối theo đường cong chữ S 60

3.1.3.2 Lựa cho ̣n vâ ̣t liê ̣u 60

3.1.3.3 Lựa chọn độ rỗng dư bê tông nhựa để thí nghiệm lún vệt bánh xe và độ bền mỏi 61

3.1.3.4 Phân tích, đánh giá tương quan giữa chỉ tiêu lún vệt bánh xe và độ bền mỏi của bê tông nhựa 62

3.2 Lựa chọn thiết bị và các thông số thí nghiệm 62

Trang 8

3.2.1 Thí nghiệm lún vệt bánh xe 62

3.2.1.1 Thiết bị sử dụng 62

3.2.1.2 Thông số thí nghiệm 63

3.2.2 Thí nghiệm độ bền mỏi 63

3.2.2.1 Thiết bị sử dụng 63

3.2.2.2 Luận chứng lựa chọn các thông số thí nghiệm 63

3.3 Thiết kế thực nghiệm 66

3.3.1 Hàm mục tiêu 66

3.3.2 Biến phụ thuộc 66

3.3.3 Biến độc lập 66

3.3.4 Số lượng mẫu thí nghiệm độ bền mỏi kiểm chứng 67

3.4 Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu phục vụ công tác thiết kế bê tông nhựa 68

3.4.1 Cốt liệu (đá) 68

3.4.2 Cát nghiền (cốt liệu mịn) 68

3.4.3 Bột khoáng 69

3.4.4 Nhựa đường 69

3.5 Thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa 69

3.5.1 Hỗn hợp cốt liê ̣u cho bê tông nhựa BTNC 12,5 69

3.5.2 Hỗn hợp bê tông nhựa BTNC 19 73

3.6 Thí nghiệm lún vệt bánh xe 78

3.6.1 Đúc mẫu thí nghiệm 78

3.6.2 Thí nghiệm lún vệt bánh xe 79

3.7 Thí nghiệm độ bền mỏi 79

3.7.1 Chế bị mẫu thí nghiệm 79

3.7.2 Thí nghiệm độ bền mỏi 80

3.8 Tổng hợp kết quả thí nghiệm lún vệt bánh xe và độ bền mỏi 81

3.8.1 Kết quả thí nghiệm lún vệt bánh xe 81

3.8.1.1 Bê tông nhựa BTNC 12,5 81

3.8.1.2 Bê tông nhựa BTNC 19 82

3.8.2 Kết quả thí nghiệm độ bền mỏi 84

Trang 9

3.9 Kiểm chứng các giả thuyết tương quan giữa biến độc lập và biến phụ thuộc thông qua phân tích phương sai (ANOVA) và theo mô hình tuyến tính tổng quát (GLM) 86

3.9.1 Cơ sở lý thuyết 86

3.9.2 Tổng hợp số liệu thí nghiệm 87

3.9.3 Kết quả phân tích thông kê 88

3.9.3.1 Lún vệt bánh xe tại 15000 lượt tác dụng tải 89

3.10 Phân tích, đánh giá kết quả thí nghiệm 95

3.10.1 Ảnh hưởng của nguồn gốc đá dăm đến khả năng kháng lún vệt bánh xe và độ bền mỏi của bê tông nhựa 95

3.10.1.1 Khả năng kháng lún vệt bánh xe 95

3.10.1.2 Độ bền mỏi 97

3.10.2 Ảnh hưở ng của mức độ thô cấp phối cốt liê ̣u đến khả năng kháng lún vệt bánh xe và độ bền mỏi của bê tông nhựa 99

3.10.2.2 Độ bền mỏi 100

3.10.3 Ảnh hưởng của loa ̣i nhựa đường đến khả năng kháng lún vệt bánh xe và độ bền mỏ i của bê tông nhựa 101

3.10.3.2 Độ bền mỏi 101

3.10.4 Mối tương quan giữa chỉ tiêu lún vệt bánh xe và độ bền mỏi của bê tông nhựa sử dụng nhựa đường 60/70 102

CHƯƠNG 4 ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP NHẰM GIẢM THIỂU LÚN VỆT BÁNH XE VÀ TĂNG ĐỘ BỀN MỎI CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT 106

4.1 Đề xuất các giải pháp trong thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa nhằm giảm thiểu lún vệt bánh xe và tăng độ bền mỏi 106

4.1.1 Cấp phối cốt liệu 106

4.1.2 Kết cấu mặt đường 107

Trang 10

4.1.3 Nhựa đường (bitum) 107

4.1.4 Chỉ tiêu độ bền mỏi 107

4.1.5 Tương quan giữa lún vệt bánh xe và độ bền mỏi 108

4.1.6 Hoàn thiện và bổ sung một số chỉ tiêu thí nghiệm khi thiết kế bê tông nhựa 108 4.2 Đề xuất điều chỉnh chỉ tiêu qui định thí nghiệm trong phòng về độ sâu lún vệt bánh xe của bê tông nhựa 109

4.3 Đề xuất tuổi thọ mỏi thực tế từ các kết quả thí nghiệm trong phòng 113

4.3.1 Lựa chọn phương pháp dự báo tuổi thọ mỏi thực tế 113

4.3.2 Đánh giá tuổi thọ mỏi thực tế qua kết quả thí nghiệm mỏi trong phòng 115

4.3.3 Đề xuất lựa chọn độ bền mỏi trong phòng của BTNC 12,5 sử dụng nhựa đường 60/70 118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121

A Kết luận, những đóng góp mới của luận án 121

B Những tồn tại, hạn chế 122

C Kiến nghị và dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO a DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ f

1 Bài báo khoa học f

2 Đề tài nghiên cứu khoa học f

Trang 11

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Vũ Đức Chính và GS TS Dương Học Hải Các số liệu và kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ các công trình nào khác

Tác giả luận án

Bùi Ngọc Hưng

Trang 12

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

4PBT Four Point Bending Tests (thí nghiệm uốn dầm 4 điểm)

AASHTO American Association of State Highways and Transportation Officials

(Hiệp hội những người làm đường và vận tải toàn nước Mỹ)

AI Asphalt Institute (Viện asphalt)

ASTM American Society of Testing Materials (Hiệp hội thí nghiệm vật liệu Mỹ)

LCPC Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (Phòng thí nghiệm trung

tâm Đường và Cầu) M-E Mechanical - Empirical (Cơ học - thực nghiệm)

M-E PDG Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (Hướng dẫn thiết kế mặt

đường theo Cơ học thực nghiệm)

NCAT The National Center for Asphalt Technology (Trung tâm công nghệ

Asphalt)

NCHRP National Cooperative Highway Research Program (Chương trình hợp

tác nghiên cứu đường)

SHRP Strategic Highway Research Program (chương trình nghiên cứu Chiến

lược đường bộ) SPDM Shell Pavement Design Manual (hướng dẫn thiết kế mặt đường Shell) ESAL Equivalent Single Axle Load (Tải trọng trục đơn tương đương)

SuperPave Superior Performing Asphalt Pavement System

SGC Superpave Gyratorry Compacter (Thiết bị đầm xoay Superpave)

SST Superpave Shear Test (Thí nghiệm cắt Superpave)

IDT Indirect Tensile Test (Thí nghiệm kéo gián tiếp)

 Biến dạng tương đối (µ/m), biến dạng tương đối gọi tắt là “biến dạng” µ

m/m ~ microstrain, viết tắt là µ

Trang 13

DS Dynamic Stability (Độ ổn định động)

 Ứng suất pháp tuyến trong bê tông nhựa

Teff (FC) Nhiệt độ sử dụng cho thí nghiệm độ bền mỏi

MAPT Nhiệt độ mặt đường trung bình năm

VBE Hàm lượng nhựa có hiê ̣u

AFT Chiều dày màng nhựa biểu kiến

FB Tỷ lê ̣ bô ̣t/Hàm lượng nhựa có hiê ̣u

VFA Voids Filled with Asphalt (Độ rỗng lấp đầy nhựa)

VMA Voids in the Mineral Aggregate (Độ rỗng cốt liệu)

Vb Hàm lượng nhựa tính theo thể tích hỗn hợp

VCA Voids of Coarse Aggregate (Độ rỗng của cốt liệu thô)

CAA Coarse Aggregate Angularity (Độ góc cạnh của cốt liệu thô)

Ntt Số lượng trục xe tính toán trên làn xe

Trang 14

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Giới ha ̣n độ sâu LVBX theo phương pháp Hamburg Wheel-Tracking [31] 10

Bảng 1-2: Qui định độ sâu LVBX ứng với cấp lưu lượng theo phương pháp APA [31] 12

Bảng 1-3: Các hệ số hồi quy theo mô hình phá hoại LVBX [36] 15

Bảng 1-4: Xác định tần số tải thông qua vận tốc xe và chiều dài vùng phân bố tải [7] 21

Bảng 1-5: Các hệ số hồi quy theo mô hình phá hoại mỏi [36] 23

Bảng 1-6: Các yếu tố ảnh hưởng đến LVBX và mỏi của của BTN [31] 24

Bảng 1-7: Chỉ tiêu đánh giá khả năng kháng LVBX và kháng mỏi của nhựa đường qua thí nghiệm DSR [44] 25

Bảng 1-8: Mức đầm nén hỗn hợp BTN tương ứng với mức lưu lượng giao thông [44] 28

Bảng 1-9: Lựa cho ̣n mác nhựa PG mức lưu lượng xe và tốc đô ̣ dòng xe [49] 32

Bảng 1-10: Quy đi ̣nh cấp phối thô theo QĐ 858/QĐ-BGTVT [1] 35

Bảng 1-11: Quy định kỹ thuật về độ sâu LVBX theo QĐ 1617/QĐ-BGTVT [4] 36

Bảng 2-1: Kết quả khảo sát thực trạng hư hỏng LVBX tại một số dự án [20] 43

Bảng 3-1: Quy định kỹ thuật Tổ hợp các lớp nghiên cứu kết cấu 66

Bảng 3-2: Số mẫu thí nghiệm đánh giá tương quan giữa chiều sâu LVBX với nguồn gốc đá dăm, loại BTN, cấp phối cốt liệu và loại nhựa 67

Bảng 3-3: Số lượng mẫu thí nghiệm độ bền mỏi kiểm chứng tương ứng với các mẫu thí nghiệm LVBX của BTNC 19 và BTNC 12,5 67

Bảng 3-4: Thành phần hạt của cấp phối thí nghiệm BTNC 12,5 69

Bảng 3-5: Các chỉ tiêu thiết kế của hỗn hợp BTNC 12,5 72

Bảng 3-6: Thành phần hạt của cấp phối thí nghiệm BTNC 19 74

Bảng 3-7: Các chỉ tiêu thiết kế của hỗn hợp BTNC 19 77

Bảng 3-8: Các thông số khi đúc mẫu trên thiết bị đầm lăn 78

Bảng 3-9: Kết quả thí nghiệm LVBX của 03 loại BTNC 12,5, đá dăm gốc bazan 81

Bảng 3-10: Kết quả thí nghiệm LVBX của 03 loại BTNC 12,5, đá dăm gốc đá vôi 82

Bảng 3-11: Kết quả thí nghiệm LVBX của 03 loại BTNC 19, đá dăm gốc bazan 82

Bảng 3-12: Kết quả thí nghiệm LVBX của 03 loại BTNC 19, đá dăm gốc đá vôi 83

Bảng 3-13: Kết quả thí nghiệm độ bền mỏi của 03 loại BTNC 12,5, đá dăm gốc bazan 84

Bảng 3-14: Kết quả thí nghiệm độ bền mỏi của 03 loại BTNC 12,5, đá dăm gốc đá vôi 84

Trang 15

Bảng 3-15: Kết quả thí nghiệm độ bền mỏi của 03 loại BTNC 19, đá dăm gốc bazan 85

Bảng 3-16: Kết quả thí nghiệm độ bền mỏi của 03 loại BTNC 19, đá dăm gốc đá vôi 86

Bảng 3-17: Bảng tổng quát phân tích ANOVA 86

Bảng 3-18: Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm đưa vào phân tích thống kê 87

Bảng 3-19: Xử lý thống kê theo mô hình GLM 88

Bảng 3-20: Kết quả chi tiết phân tích sai số tập mẫu LVBX tại 15000 lượt tác dụng 89

Bảng 4-1: Phổ độ sâu LVBX và độ sâu LVBX tích lũy của BTNC 12,5 và BTNC 19, nhựa đường 60/70 109

Bảng 4-2: Đề xuất quy định kỹ thuật độ sâu LVBX thử nghiệm theo phương pháp A 112

Bảng 4-3: Mô đun đàn hồi của hỗn hợp bê tông nhựa, MPa [55] , [56] 114

Bảng 4-4: Tính toán tuổi thọ mỏi thực tế Nf của BTNC 12,5 116

Trang 16

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1: Hư hỏng LVBX điển hình trên mă ̣t đường BTN tại dự án Đại lộ Đông Tây 4

Hình 1-2: Lún vệt bánh xe chảy dẻo lớp bê tông nhựa [27] 5

Hình 1-3: Cơ chế hình thành LVBX trong lớp BTN [28] 6

Hình 1-4: Lún vệt bánh xe kết cấu [27] 7

Hình 1-5: Lún vệt bánh xe lớp mặt bê tông nhựa [27] 8

Hình 1-6: Thiết bị ALT để đánh giá LVBX và các chỉ tiêu cường đô ̣ mặt đường [29] 9

Hình 1-7: Một dạng thiết bị Hamburg Wheel-Tracking điển hình tại Viện KH&CN GTVT 10

Hình 1-8: Hư hỏng nứt mỏi mặt đường BTN điển hình trên Quốc lộ 5 18

Hình 1-9: Thiết bị thí nghiệm mỏi uốn dầm 4 điểm điển hình [42] 19

Hình 1-10: Biểu đồ thí nghiệm mỏi S – N của BTN [31] 20

Hình 1-11: Mô hình tính tần số tải thí nghiệm [7] 21

Hình 1-12: Quan hệ giữa số lần tác dụng của tải trọng với LVBX [45] 30

Hình 1-13: Ảnh hưởng của tải tro ̣ng tru ̣c xe đến LVBX [46] 31

Hình 1-14: Ảnh hưởng của áp suất hơi bánh xe đến LVBX [46] 31

Hình 1-15: Ảnh hưởng của tốc đô ̣ dòng xe đến LVBX [46] 32

Hình 2-1: Khảo sát hư hỏng LVBX tại Quốc lộ 1A [20] 42

Hình 2-2: Khảo sát tải trọng trục xe tại Quốc lộ 1 [20] 42

Hình 2-3: Công tác thí nghiệm, kiểm định trên một số dự án hư hỏng LVBX [20] 42

Hình 2-4: Hư hỏng LVBX tại Quốc lộ 1A, đoạn số 01 [7] 44

Hình 2-7: Hư hỏng LVBX tại QL3 cũ, đoạn số 04 [7] 44

Hình 2-8: Kiểm tra mặt cắt ngang đường để xác định phạm vi LVBX 45

Hình 2-9: Vẽ mặt cắt ngang mặt đường để xác định biến dạng LVBX 45

Hình 2-10: Nhiệt độ trung bình và cao nhất trong tháng tại trạm Ninh Bình [20] 47

Hình 2-11: Nhiệt độ trung bình và cao nhất trong tháng tại trạm Thanh Hóa [20] 48

Hình 2-12: Tỷ lệ mẫu BTN không đạt yêu cầu về chiều dày và dính bám 50

Trang 17

Hình 2-13: Tỷ lệ mẫu BTN không đạt yêu cầu các chỉ tiêu cơ lý trên mẫu chế bị 51

Hình 2-14: Biểu đồ thống kê độ ổn định và độ dẻo Marshall của BTN lớp trên 51

Hình 2-15: Biểu đồ thống kê độ ổn định và độ dẻo Marshall của BTN lớp dưới 52

Hình 2-16: Biểu đồ thống kê độ rỗng dư của BTN lớp trên 52

Hình 2-17: Biểu đồ thống kê độ rỗng dư của BTN lớp dưới 53

Hình 2-18: Biểu đồ thống kê tỷ lệ độ rỗng dư không đạt yêu cầu 53

Hình 2-19: Tỷ lệ mẫu BTN không đạt yêu cầu các chỉ tiêu cơ lý trên mẫu khoan 54

Hình 2-20: Tỷ lệ mẫu BTN không đạt yêu cầu về thành phần hạt và hàm lượng nhựa 54

Hình 2-21: Biểu đồ thống kê tỉ lệ mẫu BTN lớp trên có thành phần hạt không thỏa mãn yêu cầu theo từng cỡ sàng 55

Hình 2-22: Biểu đồ thống kê tỉ lệ mẫu BTN lớp dưới có thành phần hạt không thỏa mãn yêu cầu theo từng cỡ sàng 55

Hình 3-1: Mô hình tải trọng đề nghị nghiên cứu ứng suất - biến dạng 65

Hình 3-2: Các điểm nghiên cứu ứng suất, biến dạng 65

Hình 3-3: Đá dăm dùng cho thí nghiệm của đề tài nghiên cứu 68

Hình 3-4: Thành phần hạt của 03 loại cấp phối thí nghiệm BTNC 12,5 70

Hình 3-5: Thành phần hạt cấp phối thí nghiệm BTNC 12,5 – (1) 71

Hình 3-8: Thành phần hạt của 03 loại cấp phối thí nghiệm BTNC 19 75

Hình 3-9: Thành phần hạt cấp phối thí nghiệm BTNC 19 – (4) 75

Hình 3-12: Quá trình đúc mẫu cho thí nghiệm LVBX 78

Hình 3-13: Thực hiện thí nghiệm LVBX tại Viện Khoa học và Công nghệ GTVT 79

Hình 3-14: Gia công mẫu thí nghiệm độ bền mỏi 80

Hình 3-15: Thực hiện thí nghiệm độ bền mỏi tại Trường Đại học GTVT 80

Hình 3-16: Biểu đồ phân tích sai số tập mẫu LVBX tại 15000 lượt tác dụng 89

Hình 3-17: Các biến ảnh hưởng chính tại 15000 lượt tác dụng 90

Hình 3-18: Các ảnh hưởng tương tác tại 15000 lượt tác dụng 90

Trang 18

Hình 3-25: Kết quả thí nghiệm LVBX của BTNC 12,5 với 3 loại nhựa 60/70, 40/50 và PMBIII cho 02 loại đá dăm gốc bazan và đá vôi - Ứng với 15000 lần tác dụng tải cho nhựa 60/70, 40/50 và 40000 lần tác dụng tải cho nhựa PMBIII 95

Hình 3-26: Kết quả thí nghiệm LVBX của BTNC 12,5 với 3 loại nhựa 60/70, 40/50 và PMBIII cho 02 loại đá dăm gốc bazan và đá vôi - Ứng với 20000 lần tác dụng tải cho nhựa 60/70, 40/50 và 40000 lần tác dụng tải cho nhựa PMBIII 96

Hình 3-27: Kết quả thí nghiệm LVBX của BTNC 19 với 3 loại nhựa 60/70, 40/50 và PMBIII cho 02 loại đá dăm gốc bazan và đá vôi - Ứng với 15000 lần tác dụng tải cho nhựa 60/70, 40/50 và 40000 lần tác dụng tải cho nhựa PMBIII 96

Hình 3-28: Kết quả thí nghiệm LVBX của BTNC 19 với 3 loại nhựa 60/70, 40/50 và PMBIII cho 02 loại đá dăm gốc bazan và đá vôi - Ứng với 20000 lần tác dụng tải cho nhựa 60/70, 40/50 và 40000 lần tác dụng tải cho nhựa PMBIII 97

Hình 3-29: Kết quả thí nghiệm Độ bền mỏi của BTNC 12,5 với 3 loại nhựa 60/70, 40/50 và PMBIII cho 02 loại đá dăm gốc bazan và đá vôi 98

Hình 3-30: Kết quả thí nghiệm Độ bền mỏi của BTNC 19 với 3 loại nhựa 60/70, 40/50 và PMBIII cho 02 loại đá dăm gốc bazan và đá vôi 98

Hình 3-31: So sánh kết quả thí nghiệm LVBX của BTNC 12,5 và BTNC 19 với 3 loại nhựa 60/70, 40/50 và PMBIII cho loại đá dăm gốc bazan và đá vôi - Ứng với 15000 lần tác dụng tải cho nhựa 60/70, 40/50 và 40000 lần tác dụng tải cho nhựa PMBIII 99

Hình 3-32: So sánh kết quả thí nghiệm LVBX của BTNC 12,5 và BTNC 19 với 3 loại nhựa 60/70, 40/50 và PMBIII cho loại đá dăm gốc bazan và đá vôi - Ứng với 20000 lần tác dụng tải cho nhựa 60/70, 40/50 và 40000 lần tác dụng tải cho nhựa PMBIII 100

Hình 3-33: So sánh kết quả thí nghiệm độ bền mỏi của BTNC 12,5 và BTNC 19 với 3 loại nhựa 60/70, 40/50 và PMBIII cho loại đá dăm gốc bazan và đá vôi 101

Hình 3-34: Quan hệ giữa LVBX và độ bền mỏi của BTNC 12,5, nhựa đường 60/70, đá bazan và đá vôi 102

Hình 3-35: Quan hệ giữa LVBX và độ bền mỏi của BTNC 19, nhựa đường 60/70, đá bazan và đá vôi 103

Hình 4-1: Biểu đồ Histogram của độ sâu LVBX và tần suất 111

Hình 4-2: Biểu đồ tích lũy độ sâu LVBX 111

Trang 19

Hình 4-3: Biểu đồ phổ giá trị độ sâu LVBX 112Hình 4-4: Mô hình tính toán các lớp của kết cấu mặt đường mềm [55] 114Hình 4-5: Ảnh hưởng của độ rỗng dư và thể tích nhựa tới tuổi thọ mỏi của BTN [55] 115Hình 4-6: Quan hệ giữa độ bền mỏi trong phòng và tuổi thọ mỏi thực tế BTNC 12,5- đá bazan 117Hình 4-7: Quan hệ giữa độ bền mỏi trong phòng và tuổi thọ mỏi thực tế BTNC 12,5- đá vôi 117

Trang 20

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, hiê ̣n tượng lún vệt bánh xe (LVBX) xuất hiê ̣n nhiều ta ̣i các tuyến quốc lô ̣, các tuyến đường có qui mô giao thông lớn gây mất an toàn cho người tham gia giao thông cũng như gây bức xúc trong dư luâ ̣n xã hô ̣i Các cơ sở nghiên cứu, đào ta ̣o trong nước như: Viê ̣n Khoa ho ̣c và Công nghê ̣ GTVT, Trường đa ̣i ho ̣c Giao thông vâ ̣n tải

và các chuyên gia trong nước trong thời gian qua đã nỗ lực triển khai các nghiên cứu, đề xuất các giải pháp để khắc phu ̣c LVBX, tuy nhiên cho đến nay LVBX vẫn xuất hiê ̣n tại nhiều tuyến đường, thậm chí ngay sau khi đưa vào khai thác

Mặt đường bê tông nhựa cần phải được thiết kế sao cho khắc phục được cả LVBX và nứt do mỏi dưới tác động của tải trọng xe và nhiệt độ môi trường Nếu thiết kế hỗn hợp BTN quá thiên về nâng khả năng kháng LVBX thì mặt đường BTN dễ có xu hướng bị nứt mỏi và ngược lại

Vì vâ ̣y, viê ̣c nghiên cứu tìm hiểu bản chất, các nhân tố ảnh hưởng đến LVBX, về nứt mỏi và đề xuất giải pháp giảm thiểu LVBX có xem xét đến giảm thiểu nứt mỏi của mă ̣t đường bê tông nhựa Viê ̣t Nam là cần thiết và mang tính thời sự

2 Ti ́nh cần thiết của luâ ̣n án

Để đưa ra được các giải pháp khắc phu ̣c LVBX có xem xét đến giảm thiểu nứt do mỏi trên các tuyến đường bô ̣ Viê ̣t Nam, việc nghiên cứu đă ̣c tính LVBX có xem xét đến đặc tính mỏi trên cơ sở kết quả nghiên cứu trên thế giới, từ đó đánh giá được nguyên nhân gây hư

hỏng LVBX cũng như giảm thiểu nứt do mỏi đã xảy ra trên nhiều đoa ̣n tuyến Quốc lô ̣ nước

ta hiện nay và đề xuất giải pháp vừa giảm thiểu LVBX cũng như tăng độ bền mỏi là cần thiết

Quyết định số 858/QĐ–BGTVT ngày 26/3/2014 của Bộ GTVT “Hướng dẫn áp dụng hệ thống các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành nhằm tăng cường quản lý chất lượng thiết kế và thi công mặt đường BTN nóng đối với các tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn” (QĐ 858/QĐ-BGTVT) [1] đang được áp du ̣ng phổ biến ở nước ta QĐ 858/QĐ-BGTVT đã đưa

ra quy đi ̣nh rõ về “cấp phối thô” (nhiều đá dăm), “cấp phối mi ̣n” (ít đá dăm) và áp du ̣ng

“cấp phối thô” cho mặt đường bê tông nhựa (BTN) có quy mô giao thông lớn; quy đi ̣nh về thiết kế cấp phối cốt liê ̣u theo đường cong chữ S nhằm giảm thiểu LVBX Tuy nhiên không ít nhà thầu xây dựng la ̣m du ̣ng quy đi ̣nh này, sử du ̣ng cấp phối quá “thô” cho BTN dẫn đến không ít đoa ̣n đường BTN có hiê ̣n tượng phân bố cốt liê ̣u không đồng đều, quá ít nhựa đường, dẫn đến mă ̣t đường dễ bi ̣, bong tróc, thấm nước, nứt mỏi làm suy giảm tuổi tho ̣ Vì

vậy, viê ̣c nghiên cứu đánh giá mức đô ̣ thô của “cấp phối thô” cho BTN, qua đó khuyến nghi ̣

“cấp phối thô” phù hợp ứng với loa ̣i cốt liê ̣u, loa ̣i nhựa đường là cần thiết nhằm đảm bảo

lớ p BTN vừa cải thiê ̣n LVBX, vừa cải thiê ̣n sức kháng mỏi để kéo dài tuổi tho ̣ Để có cơ sở đưa ra “cấp phối thô” phù hợp, cần thiết phải thí nghiê ̣m LVBX kết hợp với thí nghiê ̣m mỏi

Trang 21

trên các tâ ̣p mẫu BTN với cấp phối cốt liê ̣u có mức đô ̣ “thô” khác nhau để đưa ra các khuyến nghị, đề xuất nhằm giảm thiểu hư hỏng LVBX và nứt mỏi mă ̣t đường BTN nước ta

3 Đối tươ ̣ng và pha ̣m vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luâ ̣n án là bê tông nhựa chă ̣t (BTNC) rải nóng

Phạm vi nghiên cứu của luâ ̣n án bao gồm nghiên cứu đánh giá nguyên nhân gây LVBX

củ a BTN trên mô ̣t số tuyến đường có hư hỏng LVBX; nghiên cứu đề xuất “cấp phối thô” phù hợp cho BTN sử du ̣ng các loa ̣i nhựa đường khác nhau nhằm giảm thiểu LVBX và nứt

mỏ i mă ̣t đường BTN

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử du ̣ng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết dựa trên kết quả nghiên cứu của thế giới và Viê ̣t Nam trong những năm gần đây liên quan đến LVBX, nứt mỏi của BTN làm cơ sở tìm ra các nguyên nhân gây LVBX nước ta; nghiên cứu phương pháp và lựa cho ̣n thiết bi ̣ thí nghiê ̣m LVBX, thí nghiê ̣m mỏi áp du ̣ng cho nghiên cứu thực nghiê ̣m

Nghiên cứu thực nghiê ̣m được tiến hành trên các tổ mẫu BTN (BTNC 12,5; BTNC 19

vớ i các loa ̣i “cấp phối thô” khác nhau, các loa ̣i nhựa đường khác nhau (nhựa đường 40/50, 60/70, PMBIII) qua quy hoạch thực nghiê ̣m, qua thí nghiê ̣m LVBX, thí nghiê ̣m mỏi với các tổ mẫu BTN để đưa ra khuyến nghi ̣ về “cấp phối thô” phù hợp cho BTN

5 Nô ̣i dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về LVBX, nứ t mỏi của BTN và các nhân tố ảnh hưởng

- Nghiên cứu phân tích, đánh giá nguyên nhân hư hỏng LVBX trên một số tuyến đường

bộ Việt Nam hiện nay qua kết quả khảo sát hiện trường ta ̣i một số dự án điển hình có hư hỏng LVBX

- Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng để đánh giá mứ c đô ̣ “thô” của cấp phối cốt liê ̣u ảnh hưởng đến LVBX, có xem xét đến đô ̣ bền mỏi cho BTNC 12,5, BTNC 19 sử du ̣ng nhựa đường 40/50, 60/70, PMB III

- Nghiên cứ u đề xuất mô ̣t số nô ̣i dung cần thiết cho BTN để cải thiê ̣n khả năng kháng LVBX, kháng mỏi của BTN

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

- Kết quả nghiên cứu lý thuyết về LVBX, nứt mỏi của BTN; các nhân tố ảnh hưởng đến LVBX, nứt mỏi; các giải pháp giảm thiểu LVBX, nứt mỏi trên cơ sở tổng kết các kết quả nghiên cứu của thế giới trong những năm gần đây là tài liê ̣u tham khảo cho các kỹ sư đường bô ̣, nâng cao kiến thức áp du ̣ng trong thực tiễn nhằm giảm thiểu hư hỏng LVBX

- Kết quả nghiên cứu thực nghiê ̣m đưa ra khuyến nghi ̣ về mức độ thô của cấp phối cốt liệu phù hợp cho BTN sử du ̣ng các loa ̣i nhựa đường khác nhau (nhựa đường 40/50; nhựa

Trang 22

đường 60/70; nhựa đường polime) ta ̣o điều kiê ̣n cho các nhà thầu xây dựng đường bộ trong việc lựa cho ̣n cấp phối phù hợp cho BTN nhằm ha ̣n chế cả LVBX cũng như nứt mỏi

- Những đề xuất của đề tài về độ bền mỏi khi thử nghiệm trong phòng với BTNC 12,5

sử dụng nhựa đường 60/70; điều chỉnh qui định chiều sâu LVBX của BTNC 12, 5 và BTNC

19 thiết kế theo hướng dẫn của QĐ 858/QĐ-BGTVT; lựa cho ̣n mức đô ̣ “thô” của “cấp phối thô” với loa ̣i nhựa đường khác nhau (40/50; 60/70 và PMB III) đã đóng góp cho chuyên ngành về cơ sở thiết kế hỗn hợp BTNC cũng như nâng cao chất lượng xây dựng mặt đường BTNC nhằm giảm thiểu LVBX và nứt mỏi

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận án bao gồm các chương sau:

- Chương 1: Tổng quan về lún vệt bánh xe và mỏi của bê tông nhựa chặt

- Chương 2: Phân tích nguyên nhân hư hỏng lún vệt bánh xe qua kết quả khảo sát hiện trường

- Chương 3 Nghiên cứu thưc nghiệm về lún vệt bánh xe và mỏi của bê tông nhựa chặt điển hình

- Chương 4 Đề xuất các giải pháp nhằm giảm thiểu lún vệt bánh xe và tăng độ bền mỏi của bê tông nhựa chặt

Trang 23

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÚN VỆT BÁNH XE

VÀ MỎI CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT

1.1 Sư ̣ cần thiết nghiên cứu lún vê ̣t bánh xe và nứt mỏi của bê tông nhựa

Mặt đường bê tông nhựa được áp du ̣ng rô ̣ng rãi trên thế giới cũng như ở Viê ̣t Nam Để

chịu được tác đô ̣ng của tải tro ̣ng xe và các yếu tố môi trường trong quá trình khai thác, mă ̣t

đường bê tông nhựa phải được thiết kế, thi công sao cho có đủ cường đô ̣, độ ổn định trong

suốt thời gian phu ̣c vu ̣

Các da ̣ng hư hỏng mă ̣t đường bê tông nhựa điển hình phát sinh trong quá trình khai

thác làm ảnh hưởng đến công năng của mă ̣t đường được thế giới tổng kết bao gồm: lún vê ̣t

bánh xe (LVBX); nứt do mỏi; nứt do nhiê ̣t

Do điều kiê ̣n khí hâ ̣u Viê ̣t Nam, nhiê ̣t đô ̣ không khí không quá thấp vào mùa la ̣nh nên

hư hỏng đă ̣c thù của mă ̣t đường bê tông nhựa Viê ̣t Nam chủ yếu là lún vê ̣t bánh xe (LVBX)

và nứt do mỏi

Do bê tông nhựa chă ̣t (BTNC) được áp du ̣ng phổ biến hiê ̣n nay ta ̣i Viê ̣t Nam nên luâ ̣n

án chỉ tâ ̣p trung nghiên cứu về loa ̣i bê tông nhựa này

Thuật ngữ bê tông nhựa (viết tắt là BTN) trong luâ ̣n án cũng tương đồng với thuâ ̣t ngữ

bê tông nhựa chă ̣t (viết tắt là BTNC)

1.2 Lu ́ n vê ̣t bánh xe

1.2.1 Kha ́ i niê ̣m về lún vệt bánh xe

Lú n vê ̣t bánh xe (rutting) là hiện tượng bề mặt của mă ̣t cắt ngang mă ̣t đường BTN

không còn giữ nguyên được hình dạng như thiết kế ban đầu, mă ̣t đường bị lún xuống tại vi ̣

trí vệt bánh xe, và hình thành các vê ̣t lún theo chiều do ̣c của đường (Hình 1-1)

Hình 1-1: Hư hỏng LVBX điển hình trên mă ̣t đường BTN tại dự án Đại lộ Đông Tây

Trang 24

LVBX là hiện tượng tích lũy biến dạng không hồi phục của các lớp BTN mặt đường

do ảnh hưởng của phương tiê ̣n xe lưu thông và nhiê ̣t đô ̣ môi trường gây ra trong quá trình khai thác

LVBX là da ̣ng hư hỏng điển hình của biến dạng vĩnh cửu (thuật ngữ tiếng Anh go ̣i là Permanent Deformation) Trong nhiều trường hợp, thuâ ̣t ngữ LVBX cũng đồng nhất với thuật ngữ biến da ̣ng vĩnh cửu [26]

LVBX là do tổ hợp của các nguyên nhân: Do dòng xe lưu thông (lưu lượng xe, tải trọng xe); chất lượng các lớp kết cấu áo đường (BTN mă ̣t đường, móng đường, nền đường); điều kiê ̣n khí hâ ̣u (nhiê ̣t đô ̣, đô ̣ ẩm) [26]

1.2.2 Ca ́ c da ̣ng lún vệt bánh xe

Có 3 dạng LVBX phổ biến đó là: LVBX do BTN bi ̣ chảy dẻo (Instability Rutting - Plastic Flow); LVBX do kết cấu (Structural Rutting); và LVBX tại lớp mặt BTN (Surface/Wear Rutting) [27] Ứng vớ i mỗi da ̣ng LVBX có các nguyên nhân đă ̣c thù được phân tích dưới đây

1.2.2.1 Lún vệt bánh xe do BTN bi ̣ chảy dẻo - Instability Rutting (Plastic Flow)

LVBX do BTN bi ̣ chảy dẻo là hư hỏng chủ yếu của mă ̣t đường BTN và được thế giới

tập trung nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp khắc phu ̣c

LVBX do BTN bị chảy dẻo có đă ̣c thù sau: biến da ̣ng (lún) xuất hiê ̣n ta ̣i vê ̣t bánh xe trên phạm vi he ̣p, hình thành các mô dồn (trồi) BTN dọc 2 bên vệt bánh xe Điển hình của LVBX do chảy dẻo BTN được thể hiê ̣n ta ̣i Hình 1-2

Hình 1-2: Lún vệt bánh xe chảy dẻo lớp bê tông nhựa [27]

Nguyên nhân gây ra LVBX là do BTN bi ̣ chảy dẻo, do BTN “yếu”, không đủ cường

độ kháng cắt để chống la ̣i ứng suất cắt do tải tro ̣ng bánh xe gây ra trong lớp BTN Khi đó, trong lớ p BTN xuất hiê ̣n mă ̣t cắt phá hoa ̣i do cắt (Hình 1-3), dẫn đến lớp BTN bi ̣ LVBX [28]

Trang 25

Hình 1-3: Cơ chế hình thành LVBX trong lớp BTN [28]

Cường đô ̣ kháng cắt  của BTN được biểu thi ̣ qua phương trình Mohr – Coulomb, được xác định theo công thức (1.1) [28] :

τ = C + σ tg  (1.1) Trong đó:

LVBX do BTN bị chảy dẻo thường xảy ra do hỗn hợp BTN mă ̣t đường không đảm

bảo chất lượng; hoă ̣c do hỗn BTN được thiết kế không chi ̣u được tải tro ̣ng xe nă ̣ng, lưu lượng xe lớn lưu thông; hoă ̣c do hỗn BTN được thiết kế không phù hợp với các đoa ̣n đường

có tốc đô ̣ xe lưu thông ha ̣n chế (đoa ̣n đường xe chạy chậm, dừng đỗ, ùn tắc)

LVBX do BTN bị chảy dẻo thường xuất hiê ̣n vào mùa nóng khi nhiê ̣t đô ̣ mă ̣t đường cao, và thường xuất hiê ̣n sớm ngay sau mô ̣t vài tháng khi thông xe hoă ̣c sau mô ̣t hai năm đưa đường vào khai thác

Những kết quả nghiên cứu trên thế giới chỉ ra rằng, LVBX do BTN bi ̣ chảy dẻo chủ yếu xảy ra trong các lớp BTN với chiều sâu khoảng 10 cm tính từ bề mặt đường Các kết quả nghiên cứu và khảo sát tại Việt Nam cũng cho kết luận tương tự [2] , vì vậy trong khoảng chiều dày này, cần thiết kế các lớp BTN phù hợp để khắc phu ̣c LVBX do BTN bi ̣ chảy dẻo

Trước khi có tải Sau khi có tải

Mặt cắt

Trang 26

1.2.2.2 Lún vệt bánh xe do kết cấu - Structural Rutting

LVBX do kết cấu có đă ̣c thù sau: biến da ̣ng (lún) xuất hiê ̣n ta ̣i vê ̣t bánh xe trên phạm

vi rộng và không hình thành các mô dồn (trồi) BTN do ̣c theo vê ̣t bánh xe Điển hình của LVBX do kết cấu được thể hiê ̣n ta ̣i Hình 1-4

Hình 1-4: Lún vệt bánh xe kết cấu [27]

Nguyên nhân gây ra LVBX do kết cấu là do tích lũy biến da ̣ng do tải tro ̣ng lă ̣p gây ra trong nền đường (hoă ̣c trong lớp móng dưới, móng trên) trong quá trình khai thác Vì vâ ̣y, LVBX do kết cấu thường được xem là do vấn đề về kết cấu chứ không phải do vấn đề về

vật liê ̣u, chủ yếu là do kết cấu áo đường không đủ cường đô ̣ hoă ̣c do không đủ chiều dày

kết cấu để chịu ứng suất do tải tro ̣ng lă ̣p gây ra Do các lớp phía dưới biến dạng dẫn đến các lớp BTN biến dạng theo [27]

Mặc dù các lớp BTN mă ̣t đường có cường đô ̣ lớn hơn sẽ làm giảm mô ̣t phần khả năng LVBX này, tuy nhiên dưới tác đô ̣ng của tải tro ̣ng lă ̣p hoă ̣c do tác đô ̣ng bất lợi của đô ̣ ẩm môi trường, lớp mă ̣t đường BTN theo thời gian cũng bi ̣ sự suy giảm cường đô ̣ kháng cắt nên

cũng là mô ̣t trong những nguyên nhân gây ra LVBX do kết cấu

Nếu các lớp vâ ̣t liê ̣u BTN, móng, nền có chất lượng tốt, phù hợp với lượng giao thông

dự báo khi thiết kế kết cấu mặt đường thì LVBX do kết cấu vẫn có thể xảy ra như đã phân

tích trên, tuy nhiên chủ yếu xuất hiê ̣n ta ̣i cuối thời kỳ khai thác, phù hợp với quy luâ ̣t khi dự

báo LVBX Nếu không kiểm soát tốt được xe quá tải lưu thông, LVBX do kết cấu sẽ xảy ra

sớ m hơn so với dự báo

1.2.2.3 Lún vệt bánh xe lớp mặt BTN- Surface/Wear Rutting

LVBX lớ p mă ̣t BTN có đă ̣c thù sau: biến da ̣ng (lún) xuất hiê ̣n ta ̣i vê ̣t bánh xe trên phạm vi he ̣p, không hình thành các mô dồn (trồi) BTN do ̣c theo vê ̣ bánh xe Điển hình của LVBX tại lớp mặt BTN được thể hiê ̣n ta ̣i Hình 1-5

Nguyên nhân gây ra LVBX lớp mă ̣t BTN là do khiếm khuyết trong thi công, lớp BTN không đủ độ chặt (đô ̣ rỗng BTN lớn) Dưới tác đô ̣ng của tải tro ̣ng xe trùng phu ̣c, mă ̣t đường

Mặt cắt ngang ban đầu

Lớp bê tông nhựa

Nền đường hoặc các lớp phía dưới

Biến dạng của nền đường

Trang 27

tại vi ̣ trí vê ̣t bánh xe tiếp tu ̣c được đầm nén (đầm nén thứ cấp) dẫn đến lún tại chỗ vệt bánh

xe trùng phục [27]

LVBX lớ p mă ̣t BTN còn do nguyên nhâ ̣n cấp phối cốt liệu không hợp lý; cốt liê ̣u có

đô ̣ ẩm cao, nhiều bụi sét; thi công lớp BTN vào mùa lạnh, bị nguội nhanh nên không đảm bảo nhiệt độ đầm nén dẫn đến độ chặt không đủ

LVBX lớ p mă ̣t BTN thường xảy ra sau mô ̣t số năm khai thác, trên những đoa ̣n đường

xe lưu thông theo đúng làn đường quy đi ̣nh

Hình 1-5: Lún vệt bánh xe lớp mặt bê tông nhựa [27]

- Nhó m 2: xác đi ̣nh LVBX (biến da ̣ng vĩnh cửu) thông qua xác đi ̣nh sức kháng cắt trượt của mẫu BTN Điển hình các phương pháp thí nghiê ̣m: của Superpave (Mỹ); của trường đa ̣i ho ̣c Nottingham (vương quốc Anh); của CHLB Nga

Dưới đây phân tích các phương pháp thí nghiê ̣m này, tóm tắt các ưu, nhược điểm và phạm vi áp du ̣ng của nó

1.2.3.1 Ca ́ c phương pháp thí nghiê ̣m theo Nhóm 1

(1) Accelerated Load Testing (ALT) :

Trang 28

Tháng 10/2000, tại châu Âu đã thiết lập chương trình COST 347 nhằm mục đích phát triển một tiêu chuẩn châu Âu để thiết kế và đánh giá kết cấu mặt đường, trong đó sử dụng thiết bị thí nghiệm gia tốc tải trọng (Accelerated Load Testing - ALT) (thường được go ̣i là thí nghiê ̣m LVBX loa ̣i lớn- full scale) nhằm áp du ̣ng cho 18 các nước thành viên châu Âu [29]

Thiết bị này dùng để đánh giá ảnh hưởng của vật liệu và các lớp kết cấu mặt đường, trong đó có xác đi ̣nh LVBX với các điều kiện mô phỏng sát với điều kiện của mặt đường thực tế như : tải trọng, tốc độ xe chạy, nhiệt độ,…

Để tiến hành thí nghiệm, cần xây dựng một đoạn đường với kết cấu giống như ngoài hiện trường, sau đó đưa thiết bị ALT cho chạy (gia tốc) trên đoạn đường đó với các thông

số, tải trọng, tốc độ,…được cài đặt phù hợp với thực tế (Hình 1-6) Sau một khoảng thời gian thí nghiệm nhất định, các thông số đo được sẽ được phân tích và đánh giá

Thiết bị ALT của Hà Lan Thiết bị ALT của Anh Quốc

Hình 1-6: Thiết bị ALT để đánh giá LVBX và các chỉ tiêu cường đô ̣ mặt đường [29]

Đánh giá: Mă ̣c dù phương pháp này có nhiều ưu điểm, xác đi ̣nh được LVBX phù hợp

vớ i điều kiê ̣n thực tế (mô phỏng), tuy nhiên do do thiết bi ̣ đắt tiền, viê ̣c xây dựng phòng thí nghiệm cần nhiều kinh phí, với hê ̣ thống đo ứng suất, chuyển vi ̣ các lớp kết cấu rất phức ta ̣p nên ít được sử du ̣ng rô ̣ng rãi tại các nước đang phát triển

(2) Hamburg Wheel-Tracking (HWTD) :

Phương pháp Hamburg Wheel-Tracking được nghiên cứu và phát triển đầu tiên tại nước Đức, sau đó được áp du ̣ng khá phổ biến ta ̣i châu Âu, ta ̣i nhiều bang nước Mỹ và nhiều nước châu Á

Dướ i tác du ̣ng của tải tro ̣ng lă ̣p của bánh xe thép với số lần gia tải quy đi ̣nh, mẫu BTN

bị LVBX, thông qua giá tri ̣ chiều sâu LVBX để đánh giá khả năng kháng LVBX của mẫu BTN

Có 2 phương pháp dưỡng hộ mẫu khi thí nghiê ̣m, mẫu được duy trì nhiê ̣t đô ̣ trong môi trường không khí và trong môi trường nước Khi thí nghiê ̣m LVBX trong môi trường nước,

kết quả thí nghiê ̣m đánh giá được ảnh hưởng liên hợp của tải tro ̣ng gây ra LVBX và tác

Trang 29

đô ̣ng bất lợi do nước (ẩm) gây ra thông qua điểm bong màng nhựa (stripping point) (AASHTO T324) [30] (Hình 1-7)

Các thông số kỹ thuâ ̣t điển hình của thí nghiê ̣m này như sau :

- Mẫu BTN thí nghiệm : 2 mẫu trụ có đường kính 150 mm (dầy 62 mm) được gia công

và ghép lại thành hình số 8; hoặc mẫu tấm BTN được đầm nén có kích thước theo qui định;

- Tải trọng bánh xe: 705 N; đường kính bánh xe: 204 mm; chiều dày: 47 mm;

- Độ rỗng dư của mẫu BTN: 7 ± 2 % ;

- Nhiệt độ thí nghiệm: môi trườ ng nước, 50 0C; môi trường không khí, 60 0C

Hình 1-7: Một dạng thiết bị Hamburg Wheel-Tracking điển hình tại Viện KH&CN GTVT Tại Mỹ, thí nghiê ̣m Hamburg Wheel-Tracking thường áp du ̣ng với mẫu ngâm trong nước ta ̣i nhiê ̣t đô ̣ 50 0C Bang Texas và Colorado đưa ra tiêu chuẩn LVBX cho BTN ứ ng

vớ i mác nhựa đường phân theo cấp đă ̣c tính PG (Bảng 1-1) [31] và được nhiều bang nước

Mỹ áp du ̣ng Tuy nhiên theo [31] , khuyến nghi ̣ mỗi nước có thể nghiên cứu để điều chỉnh quy đi ̣nh này cho phù hợp

Bảng 1-1: Giới ha ̣n độ sâu LVBX theo phương pháp Hamburg Wheel-Tracking [31]

Mác nhựa đường PG Số lần tác dụng tải của bánh xe thí nghiê ̣m

đa ̣t được LVBX 12, 5 mm

Tại châu Âu, thí nghiê ̣m Hamburg Wheel-Tracking thường áp du ̣ng với mẫu trong môi trường không khí, ta ̣i nhiê ̣t đô ̣ 600C Khác với quy đi ̣nh của Mỹ (Bảng 1-1), tiêu chuẩn châu

Âu (EN 13108-4) [32] không quy định “cứng” về giới ha ̣n đô ̣ sâu LVBX mà đưa ra các cấp (ngưỡng) đô ̣ sâu LVBX (nhỏ hơn hoă ̣c bằng 3 mm, 5 mm, 7 mm, 9 mm, 11 mm, 13 mm, 16

Trang 30

mm) Ứng vớ i các cấp lưu lượng khác nhau, với tốc đô ̣ dòng xe lưu thông áp du ̣ng cho dự án cu ̣ thể, chủ đầu tư, tư vấn thiết kế sẽ lựa cho ̣n các cấp đô ̣ sâu LVBX giới ha ̣n để thiết kế Nhà thầu sẽ lựa cho ̣ cốt liệu, nhựa đường (nhựa đường thường hoă ̣c nhựa đường polime) để chế ta ̣o BTN thỏa mãn cấp LVBX đã quy đi ̣nh

Đánh giá : Phương pháp thí nghiê ̣m Hamburg Wheel-Tracking được này áp du ̣ng khá

phổ biến trên thế giới do: giá thành thiết bi ̣ không cao, thao tác thí nghiê ̣m không phức ta ̣p, đã được nhiều bang nước Mỹ, nhiều nước châu Âu sử du ̣ng để nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của vâ ̣t liê ̣u BTN đến LVBX Tiêu chuẩn đánh giá LVBX của Bang Texas và Colorado theo phương pháp này được nhiều nước chấp thuận áp du ̣ng và hiê ̣n nay Viê ̣t Nam

cũng sử du ̣ng phương pháp này để đánh giá LVBX cho BTN tại Quyết định số BGTVT, ngày 29/4/2014 “Quy định kỹ thuật về phương pháp thử độ sâu lún vệt bánh xe của bê tông nhựa xác định bằng thiết bị Wheel tracking” (QĐ 1617/QĐ-BGTVT) [4] (3) French Pavement Rutting (FRT) :

1617/QĐ-Thiết bị French Pavement Rutting (FRT) do Trung tâm nghiên cứu cầu đường Pháp (LCPC) nghiên cứu và phát triển

Phương pháp thí nghiê ̣m FRT có đă ̣c thù là: sử du ̣ng bánh xe gia tải bằng cao su; mẫu BTN thí nghiê ̣m trong môi trường không khí, nhiê ̣t đô ̣ thí nghiê ̣m 60 0C

Các thông số kỹ thuâ ̣t điển hình của thí nghiê ̣m FRT [33] như sau:

- Mẫu BTN thí nghiệm: dạng tấm hình chữ nhật 50 cm x 18 cm ; dày từ 20 mm đến

100 mm được đầm nén đa ̣t được đô ̣ rỗng dư theo quy đi ̣nh;

- Tải trọng bánh xe : 5000 N; áp suất bánh xe: 0,6 MPa;

- Độ rỗng dư của mẫu BTN: theo thiết kế hỗn hợp BTN

Tiêu chuẩn độ sâu LVBX theo phương pháp FRT (NF EN 13108-1:2010) [34] với BTN phải nhỏ hơn hoă ̣c bằng các giá tri ̣ tương ứng với các loa ̣i BTN (≤10%; ≤ 7,5% và ≤ 5% chiều dày mẫu BTN) ứng với số chu kỳ gia tải tương ứng (thường là 30 000 chu kỳ) Căn cứ vào chuẩn LVBX này, các dự án sẽ thiết kế lựa cho ̣n loa ̣i nhựa đường (nhựa thường hoặc nhựa đường polime), lựa cho ̣n cốt liê ̣u để thiết kế BTN phù hợp

Đánh giá: Mă ̣c dù phương pháp FRT có ưu điểm là sử du ̣ng bánh xe cao su, mô

phỏng tương tự với bánh xe ô tô tác đô ̣ng lên đường, tuy nhiên, do giá thành thiết bi ̣ FRT khá đắt, nên chỉ sử du ̣ng phổ biến ta ̣i Pháp

(4) Asphalt Pavement Analyzer (APA) :

Phương pháp này được nghiên cứu và phát triển tại Bang Georgia (Mỹ) và thường được sử dụng chủ yếu tại Mỹ theo AASHTO T 340-10 (2015) [35]

Phương pháp thí nghiê ̣m APA có đă ̣c thù là sử du ̣ng ống cao su để truyền áp lực từ

bánh xe gia tải bằng thép xuống mẫu BTN; mẫu BTN thí nghiê ̣m trong môi trường không khí, nhiê ̣t đô ̣ thí nghiê ̣m 64 0C (tương đương với mác nhựa đường PG 64)

Các thông số kỹ thuâ ̣t điển hình của thí nghiê ̣m APA [31] như sau:

Trang 31

- Kích thước mẫu BTN: 2 mẫu tru ̣ có đường kính 150 mm (dầy 75 mm) được gia công

và ghép lại thành hình số 8;

- Tải trọng bánh xe : 4450 N; Áp suất trong ống cao su 70035 KPa

- Nhiệt đô ̣ thí nghiê ̣m : thông thường quy đi ̣nh ta ̣i 64 0C (tương ứng với mác nhựa PG 64), tuy nhiên khuyến nghi ̣ thí nghiê ̣m với nhiê ̣t đô ̣ tương ứng với mác nhựa PG khác (PG 70; PG 76)

- Độ rỗng dư của mẫu BTN : 4% (đô ̣ rỗng thiết kế BTN)

Trong quá trình thí nghiê ̣m, xác đi ̣nh chiều sâu LVBX với các chu kỳ gia tải : 40, 100,

1000, 4000 và 8000 lần để đánh giá LVBX

LVBX cho BTN theo phương pháp này được đánh giá ứng với cấp lưu lượng xe (Bảng 1-2) Tuy nhiên theo Báo cáo NCHRP 673 [31] khuyến nghi ̣ các bang nước Mỹ có thể có những nghiên cứu riêng để điều chỉnh tiêu chuẩn này cho phù hợp

Bảng 1-2: Qui định độ sâu LVBX ứng với cấp lưu lượng theo phương pháp APA [31]

Cấp lưu lượng xe-ESAL (triệu tru ̣c xe) Chiều sâu LVBX lớn nhất (mm)

Đánh giá: Mă ̣c dù phương pháp APA có ưu điểm là sử du ̣ng ống cao su, nhằm mô

phỏng tương tự như bánh xe ô tô tác đô ̣ng lên đường, tuy nhiên, do giá thành thiết bi ̣ APA khá đắt, nên chỉ được sử du ̣ng ta ̣i mô ̣t số bang nước Mỹ

1.2.3.2 Ca ́ c phương pháp thí nghiê ̣m theo Nhóm 2

(1) Thí nghiê ̣m cắt mẫu bê tông nhựa SST (Superpave Shear Tester) :

Đây là sản phẩm của chương trình nghiên cứu chiến lược đường ôtô SHRP [5] , sử dụng để đo các đặc tính biến da ̣ng vĩnh cửu hỗn hợp BTN khi thiết kế, nhằm tính toán và

dự báo đặc tính cơ học của mặt đường

SST bao gồm một hệ thống thủy lực có thể tạo ra các lực dọc trục, lực cắt và áp lực không nở hông trên các mẫu BTN ở các nhiệt độ khống chế Để đánh giá và tính toán biến dạng vĩnh cửu của BTN khi sử dụng thiết bị này cần phải tiến hành 3 thí nghiệm: thí nghiệm cắt đơn giản tại chiều cao không đổi (SSCH), thí nghiệm từ biến tại chiều cao không đổi (FSCH) và thí nghiệm cắt trùng phục tại chiều cao không đổi (RSCH)

Theo quy đi ̣nh trước đây của Superpave, mẫu BTN thiết kế thỏa mãn yêu cầu khi biến

dạng của mẫu BTN đo được theo SST nhỏ hơn hoă ̣c bằng 10 mm Tuy nhiên hiê ̣n nay tiêu chuẩn này không được Superpave khuyến nghi ̣ áp du ̣ng

Trang 32

Đánh giá : Phương pháp SST sử du ̣ng thiết bi ̣ đắt tiền, kết quả thí nghiê ̣m chưa mô

phỏng đúng điều kiê ̣n là viê ̣c của mă ̣t đường BTN dưới tác đô ̣ng của tải trong trùng phu ̣c

củ a xe cha ̣y nên hầu như ít được áp du ̣ng hiê ̣n nay ta ̣i nhiều bang nước Mỹ

(2) Thí nghiệm cắt NAT (Nottingham Asphalt Tester) :

Đây là bộ thiết bị thí nghiệm do Trường đại học Nottingham (Vương quốc Anh) và hãng Cooper nghiên cứu chế tạo trên cơ sở nguyên lý của SHRP [6] nhưng đã được đơn giản hóa các thông số thí nghiệm cho phù hợp với người sử dụng và giá thành sản xuất Thiết bị này có thể sử dụng để đo được môđun độ cứng, đặc tính biến dạng vĩnh cửu và nứt mỏi của hỗn hợp BTN Đặc tính biến dạng vĩnh cửu được xác định trên cơ sở thí nghiệm từ biến động (RLA test) theo nguyên lý: tác động lên mẫu thí nghiệm xung tải trọng với số lượng xung, ứng suất trục lớn nhất và nhiệt độ thí nghiệm được lựa chọn theo qui định Biến dạng dọc trục tại cuối quá trình thí nghiệm được đo đạc và đánh giá làm biến dạng vĩnh cửu của hỗn hợp BTN Hiện nay Viện Khoa học và Công nghệ GTVT và Trường Đại học GTVT cũng đang sở hữu bộ thiết bị thí nghiệm NAT

Đánh giá: Phương pháp NAT, tương tự như phương pháp SST, có giá thành thiết bị

đắt tiền, chưa mô phỏng đúng điều kiê ̣n làm viê ̣c của mă ̣t đường BTN dưới tác đô ̣ng của tải trọng trùng phu ̣c xe cha ̣y nên hầu như ít được áp du ̣ng trên thế giới

(3) Thí nghiệm theo phương pháp của CHLB Nga :

Nguyên lý: đánh giá khả năng kháng LVBX của BTN trên cơ sở xác định góc nội ma sát φ và lực dính C của mẫu theo tiêu chuẩn СТП 007-97 [58]

Các mẫu BTN được chế bị có đường kính và chiều cao là 71,4 mm theo tiêu chuẩn ГОСТ 12801-84 [59]

Trước khi thí nghiệm, các mẫu được ngâm trong nước ở nhiệt độ 50 0C trong 1 giờ Sau đó 1/2 số mẫu sẽ dùng để thí nghiệm nén dọc trục và 1/2 số mẫu còn lại dùng để thí nghiệm nén theo đường sinh

Mỗi mẫu thí nghiệm nén dọc trục và thí nghiệm nén theo đường sinh xác định được mức biến dạng của mẫu tại thời điểm bị phá hoại được tính theo công thức:

2

Pl

A  (1.2)Trong đó:

A: là mức biến dạng của mẫu tại thời điểm bị phá hoại (J);

P: là lực tại thời điểm mẫu bị phá hoại (kN);

Trang 33

Trong đó: Am và Ac là mức biến dạng trung bình của mẫu thí nghiệm tương ứng khi nén dọc trục và nén theo đường sinh (J);

Lực dính Cл được tính toán theo công thức sau:

1(3 2 )

6

C   tg R (1.4)Trong đó: RC là cường độ nén của BTN

Theo nguyên lý của phương pháp này, biến dạng dẻo của BTN chịu tác động của tải trọng giao thông (LVBX) sẽ không xảy ra nếu ứng suất cắt trong lớp BTN đó không vượt quá khả năng chịu cắt trung bình của vật liệu BTN đó:

доп   (1.5)Trong đó:

τдоп: là ứng suất cắt cho phép của BTN (MPa);

τф: là ứng suất cắt lớn nhất thực tế từ bánh xe, được xác định theo bài toán hệ đàn hồi nhiều lớp (MPa);

Khả năng chịu cắt dẻo của BTN được xác định theo công thức Coulomb:

τдоп= p tgφ+C (1.6) Trong đó:

p: là ứng suất chính trong một lớp với tải trọng thiết kế (MPa);

C: là lực dính của BTN tương ứng với điều kiện làm việc của mặt đường (MPa); tgφ: là hệ số góc nội ma sát trong của BTN

Các thông số tính toán theo công thức (1.6) được xác định theo theo tiêu chuẩn ГОСТ 12801-84 [59]

Đánh giá: Bản chất của phương pháp thí nghiệm này là xác định tải trọng lớn nhất và

các biến dạng giới hạn tương ứng của các mẫu tiêu chuẩn có cùng kích thước trong 2 trạng thái ứng suất – biến dạng chịu nén dọc trục và nén theo đường sinh Do mẫu BTN để thí nghiệm là mẫu nhỏ (có đường kính và chiều cao là 71,4 mm); thí nghiê ̣m mô ̣t lần (không

lặp) đến khi phá hoa ̣i mẫu; cần sử du ̣ng nhiều hệ số thực nghiệm được xác định tùy theo từng điều kiện cụ thể, vì vậy khi áp dụng tại Việt Nam cần phải được xem xét, nghiên cứu thêm

1.2.4 Ca ́ c phương pháp dự báo lún vệt bánh xe

1.2.4.1 Phương pháp đánh giá tuổi thọ kết cấu mặt đường thông qua tiêu chuẩn LVBX

Quan hệ giữa tuổi thọ do LVBX kết cấu Nf2 (lần) với biến dạng nén thẳng đứng trên đỉnh nền đường c (m/m) được thể hiện theo công thức (1.7) Tiêu chuẩn giới hạn LVBX phải nhỏ hơn 0,4 – 0,5 inch (1,27cm)

Nf2  f4( ) c f5 (1.7)

Trang 34

Trong đó:

Nf2 : là tuổi thọ do LVBX kết cấu;

c : là biến dạng nén thẳng đứng trên đỉnh nền đường;

f4, f5, : là các hệ số hồi qui phụ thuộc vào loại vật liệu, môi trường tác dụng, điều kiện tải trọng và giới hạn mức độ phá hoại

Các hệ số hồi qui có thể được xác định theo các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Bảng 1-3 tổng hợp các hệ số hồi quy theo những nghiên cứu được công bố [36]

Bảng 1-3: Các hệ số hồi quy theo mô hình phá hoại LVBX [36]

3 US Army Corps of Engineers 1.807x10-15 6.527 0.5 in

4 Transport and Road Research Laboratory 1.130x10-6 3.570 0.5 in

5 UK Transport & Road Research

Laboratory – R=85%

6.180x10-8 3.950 0.4 in

6 Belgian Road Research Center 3.050x10-9 4.350 0.4 in

1.2.4.2 Phương pháp thiê ́t kế cơ học - thực nghiệm

Phương pháp thiết kế cơ học - thực nghiệm - M-E (Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide) của Mỹ [37] đã đưa ra phương pháp dự báo LVBX với các lớp BTN, các lớp

mó ng và nền đường có xem xét đến tải tro ̣ng tru ̣c xe, các đă ̣c tính cơ ho ̣c của vâ ̣t liê ̣u BTN,

vật liê ̣u móng và nền đường Phương pháp thiết kế M- E đang được thế giới quan tâm và áp

(1.8)

Trong đó:

RD: là LVBX của toàn bộ kết cấu mặt đường;

nsublayers: là số lượng các lớp kết cấu;

i

p: là tổng các biến dạng dẻo (strain) trong lớp dưới thứ I;

hi: là chiều dầy của lớp dưới thứ i

Trang 35

Trong tính toán dự báo LVBX theo phương pháp thiết kế M- E, giá trị LVBX của toàn

bộ kết cấu mặt đường có giới hạn qui định là 0,39 in (10 mm)

Đối với hỗn hợp BTN, tương quan thực nghiệm giữa tổng biến da ̣ng dẻo tích lũy với

số lần lă ̣p của tải tro ̣ng, nhiê ̣t đô ̣ được biểu thi ̣ ta ̣i công thức (1.9)

p: là biến dạng dẻo tích lũy (LVBX) tại số lần lặp thứ N của tải trọng (in/in);

r: là biến dạng đàn hồi của vật liệu nhựa, được xác định là một hàm của đặc tính hỗn hợp, nhiệt độ và tỷ lệ thời gian tác dụng tải trọng (in/in)

k1: là hàm của tổng chiều dầy các lớp nhựa (hac, in) và chiều sâu (depth, in) tới điểm tính toán Hệ số này dùng để hiệu chỉnh áp lực không nở hông tại các chiều sâu khác nhau;

Từ công thức (1.8) và (1.9) cho thấy: LVBX (RD) là hàm của tải tro ̣ng xe, số lần lă ̣p

củ a tải tro ̣ng xe; tổng chiều dầy kết cấu, đă ̣c tính biến da ̣ng của lớp bê tông nhựa; chiều dầy

lớ p bê tông nhựa; nhiê ̣t đô ̣ môi trường

1.2.4.3 Phương pháp của chương trình nghiên cứu chiến lược đường ô tô SHRP

Mỗi dạng LVBX được theo dõi, đánh giá và số liệu thu được sẽ được xử lý bằng kỹ thuật hồi quy tuyến tính để xác định sự khác nhau giữa các loại tổ hợp kết cấu mặt đường

và các điều kiện của hiện trường thử nghiệm Kết quả nghiên cứu là các phương trình hồi quy chỉ ra quan hệ giữa LVBX với các biến số độc lập là chiều dày lớp mặt đường (TS), vùng nhiệt độ (C), điều kiện độ ẩm (M), và mô đun mặt đường (ES) Phân loại các dạng LVBX để theo dõi phát triển hư hỏng mặt đường [38]

1.2.4.4 Phương pháp của Shell sử dụng tiện ích SPDM

Chương trình SPDM là chương trình độc lập dùng để tính toán LVBX xảy ra trong lớp BTN Vệt lún sâu bao gồm cả lún lớp móng và nền đường sẽ không tính toán được bằng chương trình này Phần lún do biến dạng không hồi phục của đất nền trong trường hợp tính toán này được xem như là không đáng kể

Trang 36

Đánh giá: Nhìn chung, các phương pháp dự báo LVBX nêu trên đều có điểm chung,

đưa ra quan hê ̣ giữa : kết cấu mặt đường ; vật liệu móng, mặt đường ; điều kiện giao thông ; điều kiện môi trường ;…với LVBX dự báo Các phương pháp dự báo LVBX thường chỉ áp

dụng với da ̣ng LVBX do kết cấu (Hình 1-4)

1.2.5 Các phương pháp xác định lún vệt hằn bánh xe ngoài hiện trường

1.2.5.1 Phương pháp đo đạc mặt cắt ngang mặt đường (Transverse Surface Profile)

Trong chương trình nghiên cứu NCHRP số 468 [39] đã đưa ra phương pháp xác định chiều sâu vệt hằn bánh xe và dự báo mức độ hư hỏng mặt đường thông qua các số liệu đo đạc mặt cắt ngang mặt đường (Transverse Surface Profile) và sử dụng phần mềm PAAP (Pevement Analysis Assistant Program) để tính toán

1.2.5.2 Phương pháp sử dụng thước đo theo ASTM E1703/E1703M

Phương pháp này được thực hiện theo ASTM E1703/E1703M [40] bằng cách đặt thước đo vuông góc với vệt hằn bánh xe và vuông góc với hướng xe chạy, tránh những vị trí tiếp xúc không liên tục như ổ gà,…Đo khoảng cách giữa đáy thước và mặt đường, từ đó xác định độ sâu LVBX lớn nhất Vị trí và số lượng điểm đo được xác định theo mức độ chính xác của số liệu đo hoặc theo yêu cầu đặt ra

Phương pháp này đơn giản, thiết bị dễ chế tạo nên được áp dụng phổ biến tại nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam

1.2.5.3 Phương pháp sử dụng thiết bị laser để đo lún vệt hằn bánh xe

Tại một số nước trên thế giới hiện nay, để nâng cao năng suất đo và tăng độ chính xác của kết quả đo khi đo LVBX trên mặt đường, nhiều nước đã sử dụng các thiết bị hiện đại với công nghệ laser để đo đạc Điển hình nhất hiện nay trong các công nghệ dùng laser để

đo LVBX trên mặt đường đó là công nghệ của Australia

Đánh giá: Hiện nay trên thế giới tại các nước phát triển thường sử dụng phương pháp

hiện đại (như thiết bị laser) để đo lún vệt bánh xe Tuy nhiên với kinh phí đầu tư trang thiết

bị còn hạn chế, một số nước đang phát triển (trong đó có Việt Nam) thường lựa chọn phương pháp đơn giản (như phương pháp sử dụng thước đo) để đo lún vệt bánh xe ngoài hiện trường

1.3 Nư ́ t do mỏi

1.3.1 Kha ́ i niê ̣m

Nứ t do nhiê ̣t (nhiê ̣t đô ̣ thấp) thường xuất hiê ̣n vào mùa la ̣nh, nhiê ̣t đô ̣ rất thấp (âm) Do

đă ̣c thù điều kiê ̣n khí hâ ̣u Viê ̣t Nam không xuất hiê ̣n nhiê ̣t đô ̣ quá thấp (âm) nên luận án không đi sâu nghiên cứu về nứt do nhiê ̣t

Tương tự như hiê ̣n tượng LVBX, nứt do mỏi của BTN xảy ra là do tác đô ̣ng của của

tải tro ̣ng trùng phu ̣c gây ra trong quá trình khai thác Khi ứng suất kéo uốn do tải trọng trùng phục gây ra trong lớp vật liệu BTN lớn hơn cường đô ̣ kéo uốn của vật liệu BTN, mă ̣t đường BTN xuất hiê ̣n nứt do mỏi

Trang 37

Nứ t do mỏi thường xảy ra vào mùa có nhiê ̣t đô ̣ môi trường trung bình (nhiê ̣t đô ̣ trung gian giữa nhiê ̣t đô ̣ cao nhất và thấp nhất xảy ra trong năm), trong khi LVBX thường xảy ra khi nhiệt đô ̣ môi trường cao Ta ̣i nhiê ̣t đô ̣ trung gian, BTN có xu hướng cứng hơn và giòn hơn so với khi nhiê ̣t đô ̣ cao nên dưới tác đô ̣ng của tải tro ̣ng lă ̣p, BTN có xu hướng bi ̣ nứt do

mỏ i Vết nứt đầu tiên hình thành trong BTN thường rất nhỏ, khó nhâ ̣n biết Dưới tác đô ̣ng

củ a tải tro ̣ng trùng phu ̣c, những vết nứt nhỏ sẽ dần phát triển về kích thước và số lượng cho đến khi thành các vết nứt lớn hơn nhiều, và cuối cùng hình thành hê ̣ vết nứt mỏi điển hình

dạng "da cá sấu" (Hình 1-8)

Hình 1-8: Hư hỏng nứt mỏi mặt đường BTN điển hình trên Quốc lộ 5

Nứt mỏi là một trong các tiêu chuẩn quan trọng nhất để xác định tuổi thọ của kết cấu

áo đường mềm Nứt mỏi của mặt đường BTN là dấu hiệu chỉ báo mặt đường đã chịu tới số lần tải trọng trục thiết kế tính toán, đã đến thời điểm có các hoạt động cải tạo, nâng cấp phù hợp Nứt mỏi thông thường xuất hiện ở cuối thời kỳ thiết kế, được xem như là hiện tượng phát triển tự nhiên theo đúng quá trình thiết kế Nứt mỏi có thể xảy ra sớm và từ nhiều nguyên nhân khác nhau hoặc tổ hợp của nhiều nguyên nhân như: do tải trọng nặng tác dụng trùng phục nhiều lần, do mặt đường được thiết kế với chiều dày không đủ, do chất lượng của hỗn hợp BTN kém, do thoát nước nền - mặt đường kém, do các lớp phía dưới yếu [28]

1.3.2 Phương pha ́ p thí nghiê ̣m mỏi BTN theo mô hình uốn dầm 4 điểm

Mặc dù có nhiều mô hình nghiê ̣m mỏi BTN được phát triển trên thế giới như:

- Mô hình uốn dầm, bao gồm các phương pháp: thí nghiê ̣m uốn dầm 2 điểm, uốn dầm

3 điểm, uốn dầm 4 điểm, uốn dầm 5 điểm và uốn dầm trên nền đàn hồi [7]

- Mô hình kéo (nén), bao gồm các phương pháp: kéo (nén) mẫu đúng tâm do ̣c tru ̣c, ép chẻ (kéo gián tiếp), kéo (nén) lê ̣ch tâm [7]

Trang 38

Tuy nhiên hiê ̣n nay, phương pháp thí nghiê ̣m mỏi BTN theo mô hình uốn dầm 4 điểm (4PBT - Four Point Bending Test) được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới Vì vâ ̣y, luâ ̣n án chỉ tâ ̣p trung phân tích thí nghiê ̣m mỏi theo mô hình uốn dầm 4 điểm

1.3.2.1 Ba ̉n chất của phương pháp thí nghiê ̣m mỏi uốn dầm 4 điểm

Mô hình uốn dầm 4 điểm nhằm xác định mối quan hệ giữa độ bền mỏi với ứng suất hoặc biến dạng của mẫu dầm tiêu chuẩn dưới tác dụng của tải trọng lặp, phổ biến là tải trọng hình sin, và được qui định ta ̣i ASTM D7460 – 10 (AASHTO T 321) [41]

Để thí nghiệm mỏi cho BTN nóng hiện nay, trên thế giới chỉ áp dụng phương pháp thí nghiệm dẩm 4 điểm theo ASTM D7460 – 10 (AASHTO T 321) Mẫu thí nghiệm BTN là dầm có chiều dài 380 mm, chiều rộng 63 mm và chiều cao 50 mm khí thí nghiệm trong điều kiện khống chế biến dạng Các mẫu dầm này được chế bị bằng cách đầm mẫu bằng thiết bị đầm lăn hoặc thiết bị đầm Kneading, sau đó mẫu được cắt gọt theo kích thước qui định và tiến hành thí nghiệm trên thiết bị như Hình 1-9

Hình 1-9: Thiết bị thí nghiệm mỏi uốn dầm 4 điểm điển hình [42]

Trong quá trình thí nghiệm mỏi uốn dầm 4 điểm, mẫu dầm thí nghiệm sẽ bị tác dụng tải trọng lặp và sẽ bị phá hoại dần tới khi bị phá hoại hoàn toàn Sự phá hoại này sẽ làm giảm dần mô đun độ cứng của dầm Thông thường mẫu dầm sẽ bị phá hoại khi mô đun độ cứng giảm đi 50% giá trị ban đầu Số chu kỳ tải trọng được tác dụng lên mẫu trong khoảng

từ 1000 đến 10.000.000 hoặc lớn hơn Kết quả thí nghiệm mỏi thường được thể hiện qua biểu đồ quan hê ̣ giữa biến dạng và số chu kỳ tải trọng tác dụng (S – N), trong đó trục tung biểu thị biến dạng (S) và trục hoành biểu thị số chu kỳ tải trọng tác dụng (N) tới khi mẫu phá hoại Hình 1-10 thể hiện biểu đồ S – N điển hình của BTN từ các kết quả thí nghiệm trong phòng

Nhìn chung đường quan hệ S – N của BTN yêu cầu thí nghiệm dầm uốn 4 điểm tại các mức biến dạng khác nhau Do thí nghiệm mỏi có kết quả biến thiên lớn nên ứng với mỗi

Trang 39

mức biến dạng đòi hỏi phải có tập mẫu thí nghiệm phù hợp Trong thí nghiệm mỏi, nhiều thông số ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi của BTN, điển hình là hàm lượng nhựa tính theo thể tích nhựa trong hỗn hợp (Vb), độ rỗng cốt liệu (VMA) và độ rỗng dư (Va)

Trên thế giới hiện nay, nhìn chung trong các phương pháp thiết kế bê tông nhựa, độ bền mỏi chưa có qui định rõ ràng chỉ tiêu giới hạn mà được lựa chọn tùy từng trường hợp

cụ thể để đánh giá chất lượng BTN

Hình 1-10: Biểu đồ thí nghiệm mỏi S – N của BTN [31]

1.3.2.2 Nhiê ̣t độ thí nghiê ̣m mỏi

Theo Deacon et al (1994); Stuart et al (2002), lớp BTN trong kết cấu áo đường mềm

có biểu hiện mỏi hoặc suy giảm độ cứng dưới tác dụng của tải trọng lặp trong khoảng nhiệt

độ từ 10 0C đến 30 0C [7]

Trong tiêu chuẩn ASTM D7460-10 [41] có khuyến cáo, nhiệt độ thí nghiệm độ bền mỏi thường được lấy là 20 0C (đây là nhiệt độ cực hạn được lựa chọn cho hầu hết các vùng của nước Mỹ, trong đó có các bang khu vực phía Nam nước Mỹ như: Arkansas, Louisiana, Mississippi, Oklahoma và Texas có khí hậu khá tương đồng với khí hậu Việt Nam)

Theo kết quả nghiên cứu của Chương trình SHRP [5] , nhiệt độ thí nghiệm độ bền mỏi được tính theo công thức sau:

Teff (FC) = 0,8 (MAPT) – 2,7 (1.10) Trong đó:

Teff (FC) : Nhiệt độ sử dụng cho thí nghiệm độ bền mỏi tính theo (0C);

MAPT : Nhiệt độ mặt đường trung bình năm (0C);

MAPT được tính toán theo công thức:

MAPT = T20mm = Tair – 0,00618 (lat2) + 0,2289 (lat) + 42,2 (0,9545) – 17,78 (1.11)

T20mm : là nhiệt độ tại chiều sâu 20 mm tính tử bề mặt mặt đường (0C);

Số chu kỳ tới khi phá hoại mẫu

Trang 40

Tair : là nhiệt độ không khí trung bình nằm (0C);

lat : là vĩ độ của khu vực dự án (độ)

Công thức (1.10) cũng được sử dụng trong ASTM D7460-10 [41]

1.3.2.3 Tâ ̀n số tải thí nghiê ̣m mỏi

Sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu có tác dụng tương tự như thay đổi tốc độ đặt tải tác dụng lên vật liệu đó [7] Tần số tải được áp dụng cho mặt dưới lớp BTN thông qua chiều dài tiếp xúc của lốp xe a (cm), bề dày lớp asphalt h (cm) và tốc độ xe chạy và góc phân bố tải trọng 0 (Hình 1-11, Bảng 1-4)

Hình 1-11: Mô hình tính tần số tải thí nghiệm [7]

Trong đó:

a : chiều dài vùng tiếp xúc của lốp xe, a = 10 ÷ 40 (cm);

h : bề dày lớp bê tông asphalt, h = 5 ÷ 40 (cm);

Theo đề xuất của Shell (1978) thời gian tác dụng tải 0,02 giây, tương ứng với tần số là

8 Hz [7] đại diện cho tốc đô ̣ xe chạy từ 48 km/h đến 64 km/h,

Định dạng
Số trang	147
Dung lượng	6,1 MB