XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE BẰNG THIẾT BỊ WHEEL TRACKING CHO BÊ TÔNG NHỰA CHẶT SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐỊA PHƢƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ

Để chịu được tác động của tải trọng xe và các yếu tố môi trường trong quá trình khai thác, mặt đường bê tông nhựa phải được thiết kế và thi công sao cho đạt yêu cầu về cường độ và độ ổn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN CHƯƠNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE

BẰNG THIẾT BỊ WHEEL TRACKING CHO BÊ TÔNG NHỰA CHẶT SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng, năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN CHƯƠNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE

BẰNG THIẾT BỊ WHEEL TRACKING CHO BÊ TÔNG NHỰA CHẶT SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Chương

XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE

BẰNG THIẾT BỊ WHEEL TRACKING CHO BÊ TÔNG NHỰA CHẶT SỬ

DỤNG CỐT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG

Học viên: Nguyễn Văn Chương Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao

thông

Mã số: 8.58.0205, Khóa: 33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Lún vệt bánh xe (LVBX) là hiện tượng bề mặt của mặt cắt ngang mặt

đường hông còn giữ nguyên được hình dạng như thiết kế ban đầu, mặt đường bị lún xuống tại vị trí vệt bánh xe và dần hình thành các vệt lún theo chiều dọc của đường Nguyên nhân của hiện tượng LVBX là do tổ hợp của nhiều yếu tố như: lưu lượng, tải trọng xe, chất lượng các lớp kết cấu áo đường, điều kiện khí hậu Trên thế giới, hiện nay đã có nhiều mô hình dự báo lún vệt bánh xe như: đánh giá tuổi thọ kết cấu thông qua tiêu chuẩn LVBX; phương pháp thiết kế cơ học – thực nghiệm … Tuy nhiên, hầu hết các mô hình này là mô hình dự báo trong quá trình khai thác từ các thông số thu thập được ngoài hiện trường Các mô hình dự báo trong quá trình thiết kế hỗn hợp cấp phối còn ít

Vì vậy, việc nghiên cứu tìm hiểu, đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết kế của hỗn hợp BTNC đến khả năng kháng lún vệt bánh xe (thông qua chỉ tiêu độ sâu vệt hằn bánh xe bằng thiết bị Wheel Tracking), từ đó đưa ra các mô hình dự báo ngay từ bước thiết kế sơ bộ là cần thiết Từ các số liệu thu thập được, đề tài sử dụng phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) và phân tích hồi quy đa biến cho các trường hợp thiết kế có các thông số thiết kế khác nhau, một mô hình hồi quy tuyến tính đa biến được xây dựng Mô hình cho phép dự báo được độ sâu vệt hằn bánh xe của BTN dựa trên các thông số thiết kế cơ bản: hàm lượng nhựa (HLN), tỷ trọng khối (Gmb), độ rỗng dư (Va), chỉ số cấp phối (Gr) Mô hình có thể hỗ trợ quá trình thiết kế hỗn hợp BTN trong khâu thiết kế sơ bộ khi sử dụng nguồn vật liệu tại địa phương

Từ khóa – mô hình, lún vệt bánh xe, bê tông nhựa, wheel tracking, cốt liệu địa

phương

ESTABLISH THE MODEL FOR PREDICTING RUT DEPTH BY USING

WHEEL TRACKING TEST FOR ASPHALT CONCRETE

USING LOCAL AGGREGATES Abstract – Rutting is a surface phenomenon of the cross-section of the road that

does not retain its shape as it originally was designed, this is a depression into a road

or path by the travel of wheels and gradually formed the settling pattern longitudinal of the road The cause of the rutting deformation is due to a combination of many factors such as: traffic, vehicle load; quality layers of pavement structure; climate conditions

In the world, there are now many models of predictions rut depth such as: structural life expectancy rating through rutting standard; Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide However, most of these models are forecast models in the extraction

process from the data which collected in the field Prediting models in the design process are few

Therefore, this study investigates and evaluates the effect of the design properties

of the asphalt concrete on the resistance to rutting (by using Wheel Tracking test), and establish the predicting model from the preliminary design stage is necessary From the data capture, using the principal component analysis (PCA) method and multivariate regression analysis on different cases of the design with variable parameters, a prediction model is established Model allows the prediction of rutting depth (Rd) based on five parameters: asphalt content (HLN), bulk specific gravity (Gmb), air void (Va), Grade ratio (Gr) Model can assist the preliminary design process of asphalt mixture in case using the local materials

Key words – model, rutting, asphalt concrete, wheel tracking, local aggregates.

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DANG MỤC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài: 1

2 Mục tiêu nghiên cứu: 2

3 Đối tượng nghiên cứu: 2

4 Phạm vi nghiên cứu: 2

5 Phương pháp nghiên cứu: 2

6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài: 3

7 Dự kiến nội dung của luận văn 3

CHƯƠNG 1 MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG LÚN VỆT BÁNH XE 4

1.1 KHÁI NIỆM VỀ BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG NHỰA 4

1.1.1 Khái niệm về bê tông nhựa 4

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông nhựa 5

1.2 CÁC HIỆN TƯỢNG HƯ HỎNG CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BTN TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 8

1.2.1 Các hiện tượng hư hỏng của mặt đường bê tông nhựa 8

1.2.2 Các mô hình nghiên cứu dự báo lún vệt bánh xe của BTN tại Việt Nam và trên thế giới 13

1.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BTNC THÔNG THƯỜNG 18

1.3.1 Các yếu tố trong quá trình thiết kế hỗn hợp BTN 18

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 26

CHƯƠNG 2.THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU VÀ KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG 27

2.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU 27

2.1.1 Kết quả thí nghiệm đá dăm 27

2.1.2 Kết quả thí nghiệm bột khoáng 31

2.2.3 Kết quả thí nghiệm nhựa đường 32

2.2 ĐỀ XUẤT CẤP PHỐI HỖN HỢP CỐT LIỆU DÙNG CHO NGHIÊN CỨU 34

2.3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BTN 37

2.4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE BẰNG THIẾT BỊ WHEEL TRACKING 37

2.4.1 Thiết bị thí nghiệm 37

2.4.2 Thông số thí nghiệm 39

2.4.3 Phương pháp chế bị và bảo dưỡng mẫu thí nghiệm 39

2.4.4 Kết quả thí nghiệm 42

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 45

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE CHO BÊ TÔNG NHỰA CHẶT 46

3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE 46

3.2 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CHỈ SỐ CẤP PHỐI VÀ CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BTN ĐẾN ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE 49

3.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TƯƠNG QUAN GIỮA ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE VỚI CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA 51

3.3.1 Phương pháp phân tích thành phần chính (PCA – Principal Component Analysis) ……… 51

3.3.2 Định nghĩa các biến thông số ảnh hưởng 52

3.3.3 Kết quả phân tích PCA: 52

3.4 MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH ĐỘ SÂU VHBX KHI THỬ NGHIỆM BẰNG THIẾT BỊ WHEEL TRACKING 53

3.4.1 Phân tích hồi quy tuyến tính đa biến (Regression Lineaire Multiple) 53

3.4.2 Mô hình xác định độ sâu VHBX khi thử nghiệm bằng thiết bị Wheel Tracking: ……… 54

3.4.3 So sánh với mô hình nghiên cứu của Đại học công nghệ Baghdad, Irắc [10]: ……… 55

3.4.4 Kiểm chứng mô hình đề xuất 56

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

1 KẾT LUẬN: 63

2 KIẾN NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC 1

PHỤ LỤC 2

PHỤ LỤC 3

PHỤ LỤC 4

Baghdad

56

3.5 Thành phần hạt của cấp phối thí nghiệm BTNC 12,5 57 3.6 Thành phần hạt của cấp phối thí nghiệm BTNC 19 58 3.7 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của các mẫu BTN 59 3.8 Kết quả thí nghiệm độ sâu LVBX các mẫu BTN thử nghiệm đối

chứng

59

3.9 Kết quả độ sâu VHBX thực tế so với mô hình 61

1.8 LVBX do hư hỏng lớp móng 12 1.9 LVBX do hư hỏng lớp đáy áo đường 12 1.10 LVBX lớp mặt BTN [7] 12 1.11 Mô phỏng mẫu thí nghiệm RLAT 14 1.12 Thiết bị thí nghiệm RLAT [6] 14 1.13 Ba giai đoạn làm việc của mẫu thí nghiệm RLAT [6] 15 1.14 Mô hình 3 lớp trong phần mềm BISAR 15 1.15 Biểu đồ dự báo độ sâu VHBX thông qua dữ liệu thí nghiệm so với

thí nghiệm bằng thiết bị Wheel Tracking

16

1.16 Vai trò lấp đầy của bột khoáng trong hỗn hợp BTN 20

1.18 Ảnh hưởng của số lần tác dụng tải trọng đến lớp mặt BTN [12] 23 1.19 Ảnh hưởng của tải trọng trục đến mức độ phá hoại mặt đường 24 1.20 Ảnh hưởng của tải trọng trục đến LVBX [15] 24 1.21 Ảnh hưởng của tốc độ dòng xe đến LVBX [15] 25 1.22 Ảnh hưởng của áp lực bánh hơi đến LVBX [15] 25 2.1 Biểu đồ thành phần hạt đá 0x5 của các mỏ đá 28 2.2 Biểu đồ thành phần hạt đá 5x10 của các mỏ đá 28 2.3 Biểu đồ thành phần hạt đá 10x15 29 2.4 Biểu đồ thành phần hạt đá 10x20 của 3 mỏ đá 30 2.5 Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm 31 2.6 Biểu đồ thành phần hạt bột khoáng 32 2.7 Một số hình ảnh thí nghiệm nhựa đường 34 2.8 Biểu đồ thành phần hạt của 08 cấp phối BTNC12,5 khảo sát 35 2.9 Biểu đồ thành phần hạt của 09 cấp phối BTNC19 khảo sát 35 2.10 Thiết bị thí nghiệm độ sâu VHBX Hamburg Wheel Tracking 38 2.11 Màn hình hiển thị của phần mềm Inftratest 39 2.12 Định lượng cốt liệu và cho vào máy trộn 40 2.13 Khuôn đúc mẫu được bôi lớp chống dính và lót giấy 40 2.14 Cho mẫu BTN vào khuôn 41 2.15 Đặt khuôn chứa mẫu vào máy đầm 41

2.16 Thiết bị đầm lăn bánh thép 41

2.18 Mẫu được lắp vào thiết bị Wheel Tracking 42 2.19 Màn hình hiển thị theo dõi độ sâu VHBX trong quá trình thử nghiệm 42 2.20 Hình ảnh mẫu BTN sau thử nghiệm 43 2.21 Biểu đồ KQTN HLVBX mẫu CT-1-12.5 43 2.22 Biểu đồ KQTN HLVBX mẫu CT-4-19 44 2.23 Biểu đồ KQTN HLVBX mẫu HB-1-12,5 44 2.24 Biểu đồ KQTN HLVBX mẫu HC-1-12,5 44 3.1 Biểu đồ thành phần hạt BTNC12.5 nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ 46 3.2 Mẫu trước và sau khi thực hiện thí nghiệm LVBX ở 30°C 46 3.3 Mẫu trước và sau khi thực hiện thí nghiệm LVBX ở 40°C 47 3.4 Mẫu trước và sau khi thực hiện thí nghiệm LVBX ở 50°C 47 3.5 Mẫu trước và sau khi thực hiện thí nghiệm LVBX ở 60°C 47 3.6 Kết quả thử nghiệm HLVBX mẫu BTN ở nhiệt độ 30°C 48 3.7 Kết quả thử nghiệm HLVBX mẫu BTN ở nhiệt độ 40°C 48 3.8 Kết quả thử nghiệm HLVBX mẫu BTN ở nhiệt độ 50°C 48 3.9 Kết quả thử nghiệm HLVBX mẫu BTN ở nhiệt độ 60°C 48 3.10 Biểu đồ so sánh diễn biến lún tại các nhiệt độ khác nhau 49

của 3 mỏ đá

3.12 Kết quả phân tích trên vòng tròn đơn vị tương quan 52

3.13 So sánh RD từ mô hình tính toán đề xuất và kết quả thực nghiệm

(trường hợp phân tích trên cả 3 mỏ đá)

55

3.14 Đường cong thành phần hạt cấp phối thí nghiệm BTNC 12.5 57 3.15 Đường cong thành phần hạt cấp phối thí nghiệm BTNC 19 58 3.16 Mẫu BTNC 12,5 sau thử nghiệm 60 3.17 Diễn biến độ sâu LVBX theo số lượt tác dụng của tải trọng (AC19-

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Mặt đường bê tông nhựa (BTN) được áp dụng rộng rãi trên thế giới và tại Việt Nam

Để chịu được tác động của tải trọng xe và các yếu tố môi trường trong quá trình khai

thác, mặt đường bê tông nhựa phải được thiết kế và thi công sao cho đạt yêu cầu về

cường độ và độ ổn định trong suốt quá trình khai thác Tuy nhiên, do điều kiện khí hậu tại

Việt Nam với nhiệt độ rất cao vào mùa nóng và nhiệt độ không quá thấp vào mùa lạnh

nên hư hỏng chủ yếu xuất hiện trên mặt đường BTN là nứt mỏi và lún vệt bánh xe

(LVBX)

Trong những năm gần đây, hiện tượng lún vệt bánh xe xuất hiện nhiều tại các tuyến

quốc lộ, các tuyến đường có quy mô giao thông lớn gây mất an toàn cho các phương tiện

tham gia giao thông và gây ra nhiều bức xúc trong dư luận xã hội Mặc dù đã có nhiều

nghiên cứu đưa ra các giải pháp để khắc phục lún vệt bánh xe, tuy nhiên vẫn chưa giải

quyết được hiện tượng lún vệt bánh xe hiện nay

Hư hỏng lún vệt bánh xe mặt đường BTN

Lún vệt bánh xe là hiện tượng bề mặt của mặt cắt ngang mặt đường BTN không còn

giữ nguyên được hình dạng như thiết kế ban đầu, mặt đường bị lún xuống tại vị trí vệt

bánh xe và dần hình thành các vệt lún theo chiều dọc của đường

Nguyên nhân của hiện tượng lún vệt bánh xe là do tổ hợp của nhiều yếu tố như: lưu

lượng, tải trọng xe; chất lượng các lớp kết cấu áo đường; điều kiện khí hậu (nhiệt độ ,độ

ẩm …) [11]

Trên thế giới, hiện nay đã có nhiều mô hình dự báo lún vệt bánh xe như: đánh giá tuổi

nghiệm [13] … Tuy nhiên, hầu hết các mô hình này là mô hình dự báo trong quá trình khai thác từ các thông số thu thập được ngoài hiện trường Các mô hình dự báo trong quá trình thiết kế còn ít và hầu hết chỉ đánh giá ảnh hưởng của 1 hoặc 2 yếu tố

Vì vậy, việc nghiên cứu tìm hiểu, đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết kế của hỗn hợp BTN đến khả năng kháng lún vệt bánh xe, từ đó đưa ra các mô hình dự báo có thể giúp cho các đơn vị thiết kế và thi công lựa chọn, đề xuất cấp phối hỗn hợp thiết kế hợp lý ngay từ bước thiết kế sơ bộ là cần thiết nhằm hạn chế dạng hư hỏng này đối với mặt đường BTN tại Việt Nam

2 Mục tiêu nghiên cứu:

3 Đối tượng nghiên cứu:

- Các chỉ tiêu cơ lý và khả năng kháng lún vệt bánh xe của bê tông nhựa chặt sử dụng nguồn cốt liệu tại các mỏ đá trên địa bàn thành phố Đà Nẵng

4 Phạm vi nghiên cứu:

- Bê tông nhựa chặt Dmax12,5 và Dmax19 sử dụng nhựa đường có độ kim lún 60/70

- Cốt liệu được lấy tại các mỏ đá Hố Chuồn, Hố Bạc, Cà Ty thành phố Đà Nẵng

- Tải trọng tác dụng 0,7MPa, tần số tác dụng 25±2.5 chu kỳ/phút ở điều kiện nhiệt độ môi trường nước 30 oC, 40oC, 50oC và 60oC

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp lý thuyết;

- Phương pháp thực nghiệm;

- Phương pháp thống kê

6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài:

Đưa ra các mô hình dự báo có thể giúp cho các đơn vị thiết kế và thi công lựa chọn,

đề xuất cấp phối hỗn hợp thiết kế hợp lý ngay từ bước thiết kế sơ bộ nhằm hạn chế dạng

hư hỏng này đối với mặt đường BTN tại Việt Nam

7 Dự kiến nội dung của luận văn

Mở đầu

Chương 1 Mặt đường bê tông nhựa và các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ và khả năng lún vệt bánh xe

Chương 2 Thí nghiệm vật liệu và khảo sát thực nghiệm trong phòng

Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng mô hình dự báo độ sâu vệt hằn bánh

xe cho bê tông nhựa chặt

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN

CƯỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG LÚN VỆT BÁNH XE

1.1 KHÁI NIỆM VỀ BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG NHỰA

1.1.1 Khái niệm về bê tông nhựa

Bê tông nhựa (BTN) là một hỗn hợp bao gồm cốt liệu, chất kết dính nhựa đường, bột khoáng và phụ gia (nếu có), được sử dụng làm lớp mặt trong xây dựng và bảo trì tất cả các loại công trình đường, bãi đỗ xe … (Hình 1.1)

Hình 1.1: Cấu taọ mặt đường mềm có lớp mặt bằng bê tông nhựa

Cốt liệu được dùng cho bê tông nhựa có thể được nghiền từ đá, cát, sỏi hoặc xỉ Để có thể liên kết được cốt liệu với nhau thành một hỗn hợp gắn kết, một loại chất kết dính được sử dụng và thông thường đó là nhựa đường Nhựa đường khi kết hợp với bột khoáng tạo thành hỗn hợp matic s đóng vai trò của các hạt mịn, lấp các lỗ rỗng giữa các hạt đá dăm, cát trong BTN tạo nên liên kết giữa các hạt cốt liệu với nhau và với nhựa đường dẫn tới làm tăng độ chặt, tăng cường độ của bê tông nhựa (Hình 1.2)

Cấu trúc hình thành nên hỗn hợp bê tông nhựa dựa trên 2 loại:

+ Cấu trúc vi mô: là sự kết hợp giữa bột khoáng và chất kết dính nhựa đường tạo thành chất liên kết asphalt;

+ Cấu trúc vĩ mô: là sự kết hợp giữa chất liên kết asphalt với cốt liệu tạo thành bê tông nhựa

Hình 1.2: Mô tả cấu trúc của hỗn hợp BTN

a) Ưu điểm của mặt đường bê tông nhựa:

+ Kết cấu chặt, kín; mặt đường liên tục;

+ Có khả năng chịu nén, cắt, uốn và tác dụng của tải trọng ngang;

+ Chịu tải trọng động tốt, ít hao mòn, ít sinh bụi;

+ Mặt đường bằng phẳng, có độ cứng vừa phải nên xe chạy tốc độ cao rất êm thuận, ít gây tiếng ồn;

+ Tiến độ thi công đưa đường vào khai thác nhanh, giá thành phù hợp;

+ Công nghệ thi công quen thuộc, có thể thi công cơ giới hóa hoàn toàn Dễ sửa chữa, thông xe ngay sau khi thi công, dễ nâng cấp

+ Ở nhiệt độ thấp kết cấu áo đường BTN tiệm cận đến nhiệt độ hóa cứng nên kết cấu

áo đường trở nên cứng, dòn, dễ gãy, vỡ khi chịu tác động lớn từ tải trọng xe chạy;

+ Bong tróc do phá hủy của môi trường: tác động của ánh nắng mặt trời, không khí và các yếu tố khí hậu khác làm thay đổi thành phần hóa học trong nhựa đường của hỗn hợp BTN, làm cho BTN trở nên cứng và giòn (hiện tượng lão hóa) Ngoài ra, việc tiếp xúc với nước hay độ ẩm có thể làm bong tróc, làm tách màng nhựa ra khỏi cốt liệu;

+ Nứt do mỏi: nguyên nhân do tác dụng lặp lại của tải trọng xe chạy và do mặt đường

bị hóa già theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng trùng phục, thời tiết

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông nhựa

Mặt đường bê tông nhựa được áp dụng rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam Để chịu được tác động của tải trọng xe chạy và các yếu tố môi trường trong quá trình khai thác, mặt đường bê tông nhựa phải được thiết kế, thi công sao cho có đủ cường độ và độ

ổn định trong suốt thời gian phục vụ

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm bê tông nhựa chủ yếu bao gồm:

1.1.2.1 Cốt liệu

Cốt liệu lớn (đá) tạo thành bộ khung chịu lực Nếu cốt liệu lớn có nhiều thành phần hạt thoi dẹt, phong hóa lớn hơn quy định dẫn tới khả năng chịu lực của cốt liệu kém làm cho cường độ BTN thấp hơn Ngoài ra, yêu cầu cốt liệu lớn phải sạch để khả năng dính bám với nhựa đường tốt thì cường độ BTN mới cao Bên cạnh đó, cốt liệu có lỗ rỗng xốp s gây ra hiện tượng thấm hút chọn lọc, khi thấm hút chọn lọc chỉ có thành phần chọn lọc trong nhựa đường thấm vào, để lại những phần thừa rắn lên trên bề mặt của cốt liệu, điều này có thể gây ra sự tách rời chất kết dính nhựa đường ra khỏi cốt liệu

Cốt liệu nhỏ (cát) chèn lấp một phần khe rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn, cát phải sạch

để khả năng dính bám với chất kết dính nhựa đường tốt

Bột khoáng cỡ hạt không đảm bảo thì khả năng dàn mỏng màng bitum không được mỏng Bột khoáng không đảm bảo sạch thì khả năng dính bám kém

Ngoài ra, nguồn gốc khoáng vật cốt liệu để sản xuất BTN phải là đá có tính bazơ cao như đá vôi, đá đôlômít để khả năng dính bám giữa bitum với bề mặt cốt liệu lớn nhờ màng bitum bao bọc được dàn mỏng Đối với đá granite có độ dính bám kém, cần cân nhắc sử dụng thêm phụ gia hoạt tính bề mặt để tăng khả năng dính bám đá-nhựa của hỗn hợp BTN

1.1.2.2 Thành phần cấp phối của hỗn hợp cốt liệu

Vật liệu khoáng trong BTN thường theo nguyên lý cấp phối, hỗn hợp cốt liệu gồm nhiều cỡ hạt được phân bố chiếm một tỷ lệ nhất định trong hỗn hợp cốt liệu

Tỷ lệ cỡ hạt vật liệu khoáng trong hỗn hợp cốt liệu: nếu tỷ lệ cỡ hạt hợp lý, hỗn hợp cốt liệu có thành phần hạt nằm trong giới hạn đường bao tiêu chuẩn đạt cấp phối chuẩn thì hỗn hợp cốt liệu đặc chắc hơn làm cho cường độ BTN cao hơn đồng thời độ rỗng trong BTN nhỏ hơn Ngược lại, nếu tỷ lệ cỡ hạt không hợp lý, độ rỗng BTN cao, cần phải

sử dụng nhiều chất liên kết nhựa đường để lấp đầy lỗ rỗng, dẫn đến cường độ của BTN kém ổn định

1.1.2.3 Nhựa đường (Bitum)

Một trong những chức năng quan trọng nhất của nhựa đường là dính bám với bề mặt các hạt cốt liệu và liên kết chúng lại với nhau hoặc liên kết với bề mặt kết cấu có sẵn

Sự liên kết của bitum với bề mặt cốt liệu có liên quan đến quá trình thay đổi hóa – lý khi hai chất tiếp xúc và tương tác lẫn nhau, chất lượng của mối liên kết này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên cường độ, tính ổn định nước, ổn định nhiệt của hỗn hợp vữa nhựa và hỗn hợp cốt liệu

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dính bám giữa nhựa đường và vật liệu khoáng như: loại nhựa đường, nguồn gốc đá, độ bẩn của cốt liệu, nhiệt độ và thời gian trộn Các yếu tố đó phụ thuộc cả vào đặc tính của vật liệu cũng như yếu tố bên ngoài

1.1.2.4 Quá trình thiết kế hỗn hợp BTN

Mục tiêu của việc thiết kế hỗn hợp BTN bao gồm: đảm bảo khả năng chống lại biến dạng không hồi phục, đảm bảo cường độ kháng mỏi, đảm bảo cường độ chống nứt trong điều kiện nhiệt độ thấp, đảm bảo độ bền, đảm bảo khả năng chống lại hư hỏng do độ ẩm, đảm bảo khả năng chống trượt của mặt đường và đảm bảo khả năng linh động của hỗn hợp BTN

Lựa chọn thành phần cấp phối là công việc quan trọng nhất trong quá trình thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa Vì cấp phối cốt liệu là đặc tính rất quan trọng của hỗn hợp cốt liệu, nó ảnh hưởng đến hầu hết các đặc tính quan trọng của hỗn hợp, bao gồm độ cứng, độ ổn định, độ bền, độ thấm nước, độ linh động, khả năng chịu mỏi, cường độ chống trượt và khả năng chống lại các hư hỏng do ảnh hưởng của nước

1.1.2.5 Quá trình thi công hỗn hợp BTN

Khi chất lượng của quá trình thiết kế được đảm bảo thì chất lượng của quá trình thi công cũng là một trong những nguyên nhân có liên quan đến hư hỏng của mặt đường bê tông nhựa Các yếu tố đảm bảo chất lượng của quá trình thi công bao gồm:

- Máy móc và thiết bị thi công: trạm trộn bê tông nhựa, thiết bị vận chuyển, rải và lu lèn;

- Chất lượng công tác chuẩn bị trước khi thi công mặt đường bê tông nhựa;

- Chất lượng của công tác rải, lu lèn hỗn hợp bê tông nhựa;

- Nhiệt độ thi công và điều kiện thi công;

Khi những yếu tố này không được đảm bảo tuân thủ một cách chặt ch theo các tiêu chuẩn, chỉ dẫn kỹ thuật s gây ra những hư hỏng, thậm chí hư hỏng nghiêm trọng cho mặt đường Bảng 1.1 trình bày các dạng hư hỏng thường gặp và các nguyên nhân gây hư hỏng trong quá trình thi công BTN [4]

Bảng 1.1 Những hư hỏng của mặt đường bê tông nhựa do chất lượng thi công không

1 Chế độ nhiệt các giai đoạn thi công không đúng

2 Bề mặt lớp hỗn hợp không bằng phẳng sau khi rải

3 Máy rải đứng lâu giữa các lần cấp liệu

4 Lu rung di chuyển quá chậm

5 Kích cỡ cốt liệu lớn nhất lớn hơn chiều dày lớp rải

6 Bộ phận mở rộng thêm của máy rải được bố trí không hợp lý

7 Thanh gạt bị mòn

8 Để máy rải chạy không tải giữa các tải trọng lu

9 Xe tải phanh trên mặt đường mới rải

2 Bộ phận rải được cấp liệu quá nặng

3 Thiếu điều khiển cao độ tự động

9 Nhiều điểm đổi dốc

10 Xe tải phanh trên mặt đường mới rải

11 Thay đổi nhiệt độ hỗn hợp

12 Không sửa các vết hỏng ngay

3 Các vết hỏng không được sửa ngay

4 Lu rung chạy quá nhanh

5 Trọng lượng lệch tâm tạo rung đặt sai

Mép vết rải bị

hỏng

1 Thanh chắn không vuông góc

2 Hỗn hợp nguội đọng lại cuối cửa thanh gạt

3 Điều khiển mở rộng máy rải không đúng

4 Cửa cấp liệu tự đóng quá nhanh

Vết thanh gạt

1 Xe tải va chạm với máy rải

2 Máy rải dừng giữa hai lần cấp liệu

3 Vết hỏng không được sửa ngay

7 Tốc độ rải quá nhanh

8 Nhiệt độ hỗn hợp thay đổi

9 Thanh gạt mòn Phân tầng trong

vệt rải

1 Thanh xoắn hỏng

2 Phân tầng trên xe vận chuyển

1.2 CÁC HIỆN TƯỢNG HƯ HỎNG CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BTN TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI

1.2.1 Các hiện tượng hư hỏng của mặt đường bê tông nhựa

Trong quá trình khai thác, dưới tác động của nhiều yếu tố, mặt đường bê tông nhựa s xuất hiện những hư hỏng Các dạng hư hỏng mặt đường bê tông nhựa điển hình phát sinh trong quá trình khai thác làm ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng của mặt đường bao gồm: lún vệt bánh xe, nứt do mỏi, nứt do nhiệt độ thấp

Đối với điều kiện khí hậu tại Việt Nam, nhiệt độ không khí không quá thấp vào mùa lạnh và tương đối cao vào mùa nóng nên hư hỏng điển hình chủ yếu tại Việt Nam là lún vệt bánh xe và nứt do mỏi

Hình 1.3: Mô tả hình thành nứt mỏi trong BTN [8]

Nứt do mỏi thường xảy ra vào mùa có nhiệt độ môi trường trung bình (nhiệt độ trung gian giữa nhiệt độ cao nhất và thấp nhất xảy ra trong năm), trong khi LVBX thường xảy

ra khi nhiệt độ môi trường cao Tại nhiệt độ trung bình, BTN có xu hướng cứng hơn và giòn hơn so với khi nhiệt độ cao nên dưới tác động của tải trọng lặp lại nhiều lần, BTN có

xu hướng bị nứt do mỏi Vết nứt đầu tiên hình thành trong BTN thường rất nhỏ, khó nhận biết Dưới tác động của tải trọng trùng phục, những vết nứt nhỏ s dần phát triển về kích thước và số lượng cho đến khi thành các vết nứt lớn hơn và cuối cùng hình thành hệ vết nứt mỏi điển hình dạng “da cá sấu” (Hình 1.4)

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 kết cấu ở phía dưới yếu [9]

1.2.1.2 Lún vệt bánh xe

Lún vệt bánh xe là hiện tượng bề mặt của mặt cắt ngang mặt đường BTN không còn giữ nguyên được hình dạng như thiết kế ban đầu, mặt đường bị lún xuống tại vị trí vệt bánh xe và hình thành các vệt lún theo chiều dọc của đường (Hình 1.5)

Hình 1.5: Hư hỏng lún vệt bánh xe mặt đường BTN

Lún vệt bánh xe là hiện tượng tích lũy biến dạng không hồi phục của các lớp BTN mặt đường do ảnh hưởng của phương tiện xe lưu thông và nhiệt độ môi trường gây ra trong quá trình khai thác Đây là hư hỏng điển hình của dạng hư hỏng biến dạng vĩnh cữu (Permanent Deformation) Lún vệt bánh xe là do tổ hợp của các nguyên nhân: dòng xe lưu thông (lưu lượng, tải trọng xe); chất lượng các lớp kết cấu áo đường; điều kiện khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm) [5]

Có 3 dạng lún vệt bánh xe chủ yếu đó là: LVBX do BTN bị chảy dẻo; LVBX do kết cấu và LVBX tại lớp mặt BTN [4]

 Lún vệt bánh xe do BTN bị chảy dẻo (Instability Rutting - Plastic Flow)

LVBX do BTN bị chảy dẻo là hiện tượng biến dạng lún xuất hiện tại vệt bánh xe trên phạm vi hẹp, hình thành các mảng trồi BTN dọc theo 2 bên vệt bánh xe Dạng LVBX này được nhận diện trực quan bởi các mô trồi hình thành 2 bên vệt lún như Hình 1.6 [7]

Hình 1.6 Lún vệt bánh xe do BTN bị chảy dẻo [7]

Nguyên nhân của hiện tượng LVBX do BTN bị chảy dẻo là do việc thiết kế hỗn hợp BTN không phù hợp với thiết kế kết cấu Loại hư hỏng này xuất hiện nhiều trong khu vực mặt đường có lưu lượng xe nặng nhiều và chạy chậm như là nút giao thông Ứng suất gây

ra bởi áp lực bánh, gia tốc và việc chuyển động chậm ở các nút giao thông gây ra sự mất

ổn định tại vị trí vệt bánh xe Nó cũng có thể được hình thành dưới tác động của các yếu

tố như: nhiệt độ cao của mặt đường; thiết kế hỗn hợp quá nhiều nhựa đường; vật liệu không phù hợp; độ rỗng dư quá lớn; cốt liệu không đủ độ góc cạnh [7]

 Lún vệt bánh xe do kết cấu (Structural Rutting)

Lún vệt bánh xe do kết cấu là hiện tượng biến dạng lún xuất hiện tại vệt bánh xe trên phạm vi rộng và không hình thành các mô trồi BTN dọc theo vệt bánh xe Mô phỏng dạng hư hỏng này được thể hiện ở Hình 1.7 [7]

Hình 1.7 LVBX do kết cấu [7]

Nguyên nhân gây ra LVBX do kết cấu là do tích lũy biến dạng do tải trọng lặp gây ra trong các lớp nền và móng đường trong quá trình khai thác khi các lớp vật liệu nền và móng đường không đủ cường độ hoặc chiều dày kết cấu để chịu ứng suất do tải trọng lặp gây ra

Có thể nhận biết được lớp kết cấu nào mất khả năng chịu tải bằng cách nhận biết dạng lún của lớp mặt đường Khi lớp móng (base) bị mất khả năng chịu tải, s có một mô trồi nhỏ được hình thành ở giữa 2 vệt bánh xe Trong khi đó, biến dạng do hư hỏng lớp đáy

áo đường (subgrade) s không có sự xuất hiện của các mô trồi trên cả bề rộng 2 vệt bánh

 Lún vệt bánh xe trong kết cấu lớp mặt BTN (Surface/Wear Rutting)

LVBX lớp mặt BTN có thể nhận biết trực quan khi biến dạng lún xuất hiện tại vệt bánh xe trên phạm vi hẹp, không hình thành các mô trồi BTN dọc theo 2 vệt bánh xe LVBX lớp mặt BTN được minh họa ở Hình 1.10

Hình 1.10 LVBX lớp mặt BTN [7]

Nguyên nhân gây ra LVBX lớp mặt BTN là do khi thi công, quá trình đầm nén không

đủ để đạt được độ chặt yêu cầu Khi đó, dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, lớp BTN tiếp tục được đầm nén thêm một lần nữa dẫn đến lún tại vị trí vệt bánh xe Các yếu tố góp phần hình thành nên dạng hư hỏng này bao gồm: các lớp móng không đủ độ chặt yêu cầu; không đủ số lượt lu lèn lớp mặt BTN; BTN bị nguội trước khi đạt độ chặt yêu cầu; BTN

bị lẫn nước hoặc bụi bẩn; hàm lượng nhựa trong hỗn hợp thấp hoặc do cấp phối hỗn hợp không đảm bảo [7]

1.2.2 Các mô hình nghiên cứu dự báo lún vệt bánh xe của BTN tại Việt Nam và trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về dự báo độ sâu vệt hằn bánh xe của

bê tông nhựa trong phòng và hiện trường Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào dự báo độ sâu vệt hằn bánh xe tại hiện trường và có không nhiều các mô hình dự báo trong phòng thí nghiệm

1.2.2.1 Một số nghiên cứu về mô hình dự báo bằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm

 Nghiên cứu của Đại học công nghệ Baghdad, Irắc [10]

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như nhiệt độ, số lượt tải tác dụng, hàm lượng nhựa, loại bột khoáng sử dụng đến độ sâu VHBX đã cho các kết quả sau:

+ Khi nhiệt độ thử nghiệm tăng từ 30˚C đến 60˚C thì độ sâu VHBX tăng 7 lần;

+ Độ sâu VHBX tăng khoảng 35% khi hàm lượng nhựa thay đổi từ 4.25% đến 4.75%

và tăng khoảng 45% khi hàm lượng nhựa tăng từ 4.75% đến 5.25%;

+ Khả năng kháng HLVBX của BTN sử dụng bột khoáng là xi măng tốt hơn so với dùng bột khoáng là bụi đá vôi;

+ Nghiên cứu đã phát triển một mô hình dự đoán độ sâu vệt hằn bánh xe của BTN trong điều kiện thử nghiệm (nhiệt độ và tải trọng lặp lại) và tính chất của hỗn hợp (hàm lượng nhựa và loại bột khoáng) theo phương trình tương quan:

Ln(RD) = -6.592 + 0.84LogN + 0.066T + 0.462AC – 0.281FT

Trong đó: RD – độ sâu VHBX của BTN (mm)

N – số lần lặp lại của tải trọng tác dụng;

T – nhiệt độ thử nghiệm (˚C);

AC – hàm lượng nhựa (%);

FT – Loại bột khoáng sử dụng (FT=1 đối với xi măng và FT = 0 đối với bột

đá vôi)

 Nghiên cứu của Đại học Nottingham – Anh Quốc [6]:

Nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm Wheel Tracking đối với mẫu BTN được chế bị với kích thước 306x306 (mm) sau đó 4 mẫu khoan được lấy từ mẫu vừa thí nghiệm VHBX (Hình 1.11) để thực hiện thí nghiệm RLAT (Repeated Load Axial Test)

Hình 1.11: Mô phỏng mẫu thí nghiệm RLAT

RLAT là thí nghiệm dùng để tính toán biến dạng vĩnh cửu xảy ra trong một mẫu thí nghiệm dưới tác dụng của một ứng suất 300 (kPa) và tải trọng lặp lại 5000 chu kỳ Hình ảnh thiết bị thí nghiệm như Hình 1.12

Hình 1.12: Thiết bị thí nghiệm RLAT [6]

Trong thí nghiệm này, mẫu thử s trải qua 3 giai đoạn làm việc (Hình 1.13) bao gồm: giai đoạn sơ cấp, thứ cấp, và giai đoạn thứ ba Trong giai đoạn sơ cấp, biến dạng vĩnh cửu tích tụ và tăng lên nhanh chóng sau đó đạt tới một giá trị không đổi s chuyển sang giai đoạn thứ 2 (thứ cấp) Giai đoạn 2, tốc độ biến dạng của mẫu được giữ ổn định và sau đó tăng lên nhanh chóng rồi chuyển sang giai đoạn thứ 3 Số liệu về biến dạng tích lũy cuối cùng s được dùng để phân tích ở các bước tiếp theo

Hình 1.13: Ba giai đoạn làm việc của mẫu thí nghiệm RLAT [6]

Kết quả của thí nghiệm RLAT tiếp tục được sử dụng để tính toán trị số biến dạng tương đối (ε) và giá trị độ nhớt của hỗn hợp (η) Các thông số này s được đưa vào phần mềm BISAR theo dạng mô hình 3 lớp (Hình 1.14) để tiến hành phân tích và cho ra kết quả dự đoán chiều sâu VHBX của mẫu thí nghiệm Hình 1.15 là kết quả phân tích của phần mềm BISAR từ các dữ liệu thu được từ thí nghiệm RLAT so với kết quả thử nghiệm VHBX thực tế

Hình 1.14: Mô hình 3 lớp trong phần mềm BISAR

Hình 1.15: Biểu đồ dự báo độ sâu VHBX thông qua dữ liệu thí nghiệm so với thí

nghiệm bằng thiết bị Wheel Tracking

1.2.2.2 Các mô hình dự báo bằng thực nghiệm hiện trường

 Phương pháp đánh giá tuổi thọ kết cấu mặt đường thông qua tiêu chuẩn lún vệt

Tiêu chuẩn giới hạn LVBX phải nhỏ hơn 0,4 – 0,5 inch (1.27cm) [1]

Bảng 1.2: Các hệ số hồi quy theo mô hình phá hoại LVBX [1]

1 Asphalt Institute (AI) 1.365x10-9 4.477 0.5 in

2

Shell Research – R=50% 6.150x10-7 4.000 0.5 in Shell Research – R=85% 1.940x10-7 4.000 0.5 in Shell Research – R=95% 1.050x10-7 4.000 0.5 in

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

 Phương pháp thiết kế cơ học thực nghiệm [14]

Phương pháp thiết kế cơ học - thực nghiệm (Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide - MEPDG) đã đưa ra mô hình dự báo LVBX của các lớp BTN, các lớp móng và nền đường có xem xét đến tải trọng trục xe, các đặc tính cơ học của vật liệu BTN, vât liệu móng và nền đường Theo phương pháp này, biến dạng vĩnh cửu (hay LVBX) của một kết cấu tổng thể là tổng biến dạng vĩnh cửu của từng lớp kết cấu riêng biệt và được biểu thị tại công thức sau [14]:

1

n i

p i i

p - tổng các biến dạng dẻo (plastic strain) trong lớp kết cấu thứ i;

hi - chiều dày của lớp kết cấu thứ i

Đối với biến dạng vĩnh cửu (LVBX) xét riêng cho lớp BTN Các nghiên cứu đã được tiến hành có xét đến các đặc tính của hỗn hợp BTN trong cả quá trình thiết kế và khai thác và được thể hiện qua công thức thực nghiệm sau (R2=0.76) [14]:

p - biến dạng dẻo tích lũy tại lần lặp lại thứ N của tải trọng (in/in);

r - biến dạng đàn hồi của vật liệu nhựa, là một hàm của đặc tính hỗn hợp, nhiệt độ

và tỷ lệ thời gian tác dụng tải (in/in);

N - số lần lặp lại của tải trọng;

 Mô hình dự đoán PEDRO

Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của các biến số giao thông đến sự hình thành LVBX trong BTN Độ sâu LVBX được xác định qua công thức [15]:

Trong đó: εp - biến dạng theo phương thẳng đứng (μm/m)

x - khoảng cách từ trọng tâm tải trọng (m)

i - số ảo

 Phương pháp do Hiệp hội đường cao tốc (FHWA) đề xuất từ chương trình nghiên

cứu chiến lược đường ô tô (Hoa Kỳ):

Theo phương pháp này, mỗi dạng LVBX được theo dõi, đánh giá và số liệu thu được

s 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, vùng nhiệt độ, điều kiện độ ẩm và mô đun mặt đường Phân loại các dạng LVBX để theo dõi phát triển hư hỏng mặt đường [1] [16]

 Phương pháp của Shell sử dụng chương trình SPDM (Shell Pavement Design

Manual) [1]

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

1.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BTNC THÔNG THƯỜNG

1.3.1 Các yếu tố trong quá trình thiết kế hỗn hợp BTN

1.3.1.1 Nhựa đường

Nhựa đường có vai trò quan trọng, quyết định đến chất lượng của hỗn hợp BTN được sản xuất Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nhựa đường có độ nhớt thấp (độ cứng cao) s

có khả năng kháng LVBX cao hơn nhựa đường có độ nhớt cao (độ cứng thấp), tuy nhiên

nó lại đặt ra vấn đề nứt mỏi của BTN [12]

Tại Việt Nam, nhựa đường được phân loại theo độ kim lún, nhựa đường 40/50 có độ nhớt thấp (độ cứng cao) hơn so với nhựa đường 60/70 Sản xuất hỗn hợp BTN tại Việt Nam hiện nay phần lớn dùng nhựa đường 60/70, hầu như ít sử dụng nhựa đường 40/50

Một trong những biện pháp kháng LVBX đối với các tuyến đường có lưu lượng xe lớn hiện nay đó là việc thay đổi nhựa đường dùng cho hỗn hợp BTN từ nhựa đường 60/70 thông thường sang nhựa đường cải tiến Polime Nhựa đường cải tiến Polime có ưu điểm hơn hẳn nhựa đường 60/70 thông thường ở khả năng cải thiện đáng kể cường độ và độ ổn định của BTN ở nhiệt độ cao Vì vậy, nhựa đường Polime có khả năng kháng LVBX và kháng mỏi tốt hơn nhiều so với nhựa đường 60/70 thông thường

Phân loại nhựa đường theo phương pháp Superpave dựa theo cấp đặc tính PG (Performance Grade) đã được áp dụng rộng rãi tại Mỹ từ những năm 1996 Các tiêu chí

áp dụng để lựa chọn loại PG cho từng trường hợp bao gồm:

 Điều kiện địa lý của khu vực dự án/ công trình xây dựng;

 Nhiệt độ mặt đường cao nhất/ thấp nhất dự kiến mà mặt đường BTN s phải gặp trong quá trình khai thác (xác định thông qua nhiệt độ không khí có xét đến độ tin cậy phù hợp);

 Lượng giao thông thiết kế “tổng tải trọng trục xe tiêu chuẩn tích lũy - ESAL (tính theo triệu ESALs) qua các mức độ khác nhau từ <0,3 triệu ESALs tới >30 triệu ESALs cùng với tốc độ dòng xe;

 Phương pháp phân loại theo PG sử dụng 2 chỉ số, kí hiệu là PG "XY" Trong đó,

số thứ nhất (ký hiệu "X") là giá trị trung bình của nhiệt độ mặt đường (˚C) ở độ sâu 20mm tính từ mặt đường của 7 ngày có nhiệt độ cao nhất trong năm, số thứ 2 (ký hiệu

"Y") là giá trị nhiệt độ của mặt đường của một ngày thấp nhất (˚C) xác định tại bề mặt của mặt đường Ví dụ: Phân loại PG 40-16 ứng với nhiệt độ cao nhất là 40˚C và nhiệt độ thấp nhất là -16˚C

Phân loại nhựa đường theo cấp đặc tính PG có nhiều ưu điểm như: lựa chọn được loại bitum phù hợp với điều kiện cụ thể của dự án trên các phương diện “điều kiện địa lý, khí hậu, lượng giao thông thiết kế, và tốc độ của dòng xe”, từ đó phát huy tốt khả năng làm việc của bitum, tăng tuổi thọ công trình Đã xem xét tới ảnh hưởng đến khả năng kháng LVBX và mỏi của BTN thông qua chỉ số mô đun phức G* và góc pha δ của nhựa đường (xác định thông qua thí nghiệm cắt động lưu biến) Tuy nhiên, cách phân loại này đòi hỏi chi phí thí nghiệm cao, các thiết bị thí nghiệm đắt tiền, phương pháp thí nghiệm mới nên đòi hỏi cần có thời gian đào tạo con người

1.3.1.2 Cốt liệu

Trong hỗn hợp BTN, cốt liệu đóng vai trò tạo nên một bộ khung chịu lực chính chống lại tác dụng trùng phục của hỗn hợp BTN Cốt liệu sử dụng trong hỗn hợp BTN bao gồm cốt liệu thô (đá dăm) và cốt liệu mịn (cát) Tính chất và đặc trưng của từng loại cốt liệu trong hỗn hợp cấp phối có ảnh hưởng lớn đến khả năng kháng VHBX của hỗn hợp BTN

 Cốt liệu lớn (đá dăm): Đối với cốt liệu lớn, các thuộc tính bề mặt và độ góc cạnh cũng ảnh hưởng đáng kể đến góc nội ma sát φ của BTN Cốt liệu có độ nhám cao (bề mặt

xù xì) làm tăng khả năng dính bám đá-nhựa; độ góc cạnh lớn s tạo nên sự chèn móc tốt

năng biến dạng dẻo của BTN Vì vậy, khả năng kháng LVBX của BTN cũng s được tăng lên

 Cốt liệu mịn (cát): vai trò của cốt liệu mịn trong hỗn hợp BTN là chèn lấp các k hở giữa các hạt cốt liệu lớn, làm tăng độ đặc chắc của hỗn hợp Cát để chế tạo BTN chỉ dùng loại hạt với mô đun độ lớn Mk  2.0, có thể dùng cát thiên nhiên hoặc cát xay Xu hướng hiện nay là sử dụng cát xay thay cho cát tự nhiên vì các lý do: kích cỡ hạt đồng đều, có thể điều chỉnh môđun và tỷ lệ thành phần hạt theo yêu cầu cụ thể cho mỗi loại cấp phối khác nhau Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng cát tự nhiên (tròn cạnh) có ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu cơ lý của BTN Khi hàm lượng cát tự nhiên tăng lên, BTN dễ xảy ra hiện tượng hằn lún vệt bánh xe hơn (Crawford-1989) Hình dạng và tính chất bề mặt của cốt liệu mịn là các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng dẻo trong bê tông nhựa, Button và Perdomo (1991) đã chứng minh rằng trị số biến dạng và tốc độ biến dạng tăng theo sự gia tăng của hàm lượng cát tự nhiên Giảm hàm lượng cát tự nhiên, tăng hàm lượng cát xay s làm tăng sức kháng vệt hằn bánh xe của hỗn hợp bê tông nhựa [2]

 Bột khoáng: Bột khoáng có vai trò rất quan trọng trong hỗn hợp bê tông nhựa (BTN), thường được nghiền từ đá vôi hoặc đá đôlômit, có cường độ chịu nén không nhỏ hơn 200 daN/cm2 Với tỷ diện rất lớn, khoảng 2500-3000 cm2/g, bột khoáng khi kết hợp với nhựa đường s đóng vai trò của các hạt mịn, lấp các lỗ rỗng giữa các hạt đá dăm, cát trong BTN tạo nên liên kết giữa các hạt cốt liệu với nhau và với nhựa đường dẫn tới làm tăng độ chặt, tăng cường độ của bê tông nhựa

a) BTN có bột khoáng b) BTN không có bột khoáng

Hình 1.16: Vai trò lấp đầy của bột khoáng trong hỗn hợp BTN

Bột khoáng và nhựa đường tương tác với nhau tạo thành chất liên kết asphalt, có tác dụng làm tăng khả năng ổn định nhiệt của hỗn hợp BTN Khi trộn bột khoáng với nhựa đường trong hỗn hợp BTN, bột khoáng tạo nên một lớp hoạt tính ổn định nước, tương tác vật lý, hóa học giữa bề mặt hạt bột khoáng và nhựa đường làm tăng cường độ BTN Trong chất liên kết asphalt, các phân tử bột khoáng được bao bọc bởi một lớp màng

mỏng nhựa đường đồng nhất, tạo nên độ cứng của chất liên kết trong bê tông nhựa Tính ưu việt của bột khoáng chỉ được thể hiện khi sử dụng bột khoáng với hàm lượng thích hợp Việc sử dụng bột khoáng với hàm lượng quá cao s giảm các tính chất cơ lý của bê tông nhựa, dẫn đến bê tông nhựa dễ nứt nẻ, giảm chiều dày màng nhựa bao quanh cốt liệu dẫn đến bê tông nhựa dễ bong tróc, độ ổn định giảm Việc sử dụng bột khoáng với hàm lượng quá thấp dẫn đến bê tông nhựa dễ bị biến dạng, chảy nhựa Vì vậy, việc lựa chọn tỷ số giữa Bột khoáng/Hàm lượng nhựa có hiệu tối ưu trong thiết kế hỗn hợp BTN là hướng hiện nay được nhiều nước trên thế giới áp dụng

1.3.1.3 Các chỉ tiêu thiết kế BTN:

a) Cấp phối cốt liệu:

Cấp phối cốt liệu được định nghĩa là sự phân bố của các kích cỡ hạt thể hiện qua phần trăm của cỡ hạt đó so với tổng khối lượng của hỗn hợp Theo Roberts (1996), cấp phối là đặc tính quan trọng ảnh hưởng đến hầu hết các tính chất quan trọng của hỗn hợp BTN bao gồm độ cứng, độ ổn định, tính thẩm thấu, khả năng thi công, tính kháng mỏi, kháng phá hoại do ẩm, biến dạng không hồi phục … [11]

Nhiều nghiên cứu trong nước và trên thế giới đã chỉ ra rằng, cấp phối thiết kế thiên về

xu hướng thô nhiều hơn s cho khả năng kháng LVBX tốt hơn cấp phối mịn Theo hướng dẫn tại Quyết định 858/QĐ-BGTVT, nếu cốt liệu (cấp phối hỗn hơp cốt liêu) có

xu hướng thô s tạo ra một bộ khung xương đủ “khỏe” để hạn chế đươc hiện tượng hư hỏng LVBX

Một số nghiên cứu tại Ấn Độ đã đưa ra khái niệm về “chỉ số cấp phối - GR” (Grade Ratio) Theo đó, sự phân bố kích thước hạt của cốt liệu được xác định bởi các đường cong cấp phối Từ đường cong cấp phối đưa ra các tham số quan hệ với hình dạng của đường cong là D15, D50 và D85, trong đó Dx là kích cỡ của sàng có x (%) của tổng khối lượng vật liệu lọt qua nó [11]

“Chỉ số cấp phối - GR” được xác định theo công thức:

Hình 1.17: Quan hệ giữa GR và độ sâu LVBX với độ tin cậy >0,8 [11]

b) Hàm lượng nhựa:

Hàm lượng nhựa là một trong những chỉ tiêu quan trọng trong quá trình thiết kế hỗn hợp BTN Việc lựa chọn được hàm lượng nhựa tối ưu hợp lý là mục tiêu thiết yếu để có được hỗn hợp BTN chất lượng tốt Hàm lượng nhựa quá ít thì hỗn hợp BTN quá khô, cứng gây nên việc khó rải và đầm nén trong quá trình thi công, làm giảm cường độ và khả năng kháng mỏi của BTN Trong khi đó, nếu hàm lượng nhựa quá cao làm cho BTN quá dẻo và giảm khả năng kháng LVBX

c) Độ rỗng dư (V a ):

Theo Quyết định 858/QĐ-BGTVT, độ rỗng dư của lớp mặt BTNC trên cùng yêu cầu

từ 4,0-6,0 (%) Các lớp BTNC lớp dưới yêu cầu từ 3,0-6,0 (%) Khi thiết kế hỗn hợp nên chọn độ rỗng dư từ 4,5% đến 5% Trong một nghiên cứu khảo sát mặt đường cũ bị HLVBX tại Việt Nam đã chỉ ra rằng độ rỗng dư nhỏ (< 3%) là biểu hiện đặc trưng của hiện tượng hằn lún vệt bánh xe [3] Trong khi đó, nếu độ rỗng dư quá lớn (> 7%) cũng s

P

Trong đó: FB - tỷ lệ bột/hàm lượng nhựa có hiệu;

P0,075 - tỷ lệ cốt liệu lọt qua sàng 0,075mm, %;

Pbe - hàm lượng nhựa có hiệu, % khối lượng hỗn hợp

Nếu giá trị FB quá lớn, dẫn tới việc nhựa đường không đủ để bao bọc các hạt bột khoáng hoặc hỗn hợp bột khoáng-nhựa đường (vữa nhựa) quá cứng làm cho BTN trở nên giòn hơn và dễ gây ra hiện tượng nứt mỏi Nếu FB quá nhỏ dẫn đến thừa nhựa đường hoặc hỗn hợp vữa nhựa quá mềm làm cho BTN có tính mềm dễ gây ra hư hỏng dạng lún vệt bánh xe

Phương pháp thiết kế Superpave khuyến nghị tỷ số FB nằm trong khoảng từ 0,6-1,2

và một số bang tại Mỹ đã quy định việc áp dụng tỷ số FB trong các tiêu chuẩn kỹ thuật

Các bang ở vùng khí hậu nóng có xu hướng FB cao trong khi các bang ở vùng khí hậu lạnh tỷ số FB có xu hướng thấp [1]

1.3.2 Các yếu tố trong quá trình khai thác

Hình 1.18 thể hiện mối quan hệ giữa số lần tác dụng tải trọng và biến dạng trong lớp mặt đường Khi số lần tác dụng tải trọng tăng theo thời gian s làm tăng biến dạng trong lớp mặt BTN

Hình 1.18: Ảnh hưởng của số lần tác dụng tải trọng đến lớp mặt BTN [12]

1.3.2.2 Tải trọng trục xe

Tải trọng trục là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng hư hỏng LVBX Khi tải trọng trục càng lớn s gây ra ứng suất cắt trong lớp BTN lớn hơn cường độ kháng cắt của BTN dẫn đến việc xuất hiện các hư hỏng và điển hình là LVBX

Theo một kết quả nghiên cứu tại bang Wisconsin (Mỹ), khi tải trọng của một xe 3 trục tăng từ 9 tấn lên 10 tấn, khả năng phá hoại mặt đường s tăng lên 50%, khi tăng tải trọng trục lên 12 tấn mức phá hoại s tăng lên 100% so với trục 10 tấn là 300% so với trục 9 tấn (xem Hình 1.19) [17]

Hình 1.19: Ảnh hưởng của tải trọng trục đến mức độ phá hoại mặt đường

AASHTO cũng đã đưa ra sự tương quan giữa tải trọng trục và số lần tác dụng theo công thức sau:

4

y x

N P

1.3.2.3 Tốc độ dòng xe

Tốc độ dòng xe cũng là một yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến LVBX Khi tốc độ xe chạy càng chậm, thời gian tác dụng lên mặt đường càng lâu dẫn đến việc suy giảm cường độ diễn ra càng nhanh

Độ sâu VHBX tỷ lệ nghịch với tốc độ dòng xe Độ sâu VHBX giảm từ 5-30% khi tốc

độ dòng xe tăng từ 38km/h đến 48km/h phụ thuộc vào kết cấu và vật liệu BTN [15] Hình 1.21 thể hiện tương quan giữa tốc độ dòng xe và độ sâu LVBX Khi tốc độ dòng

xe thay đổi từ 90km/h xuống 50km/h thì độ sâu LVBX tăng 200%, khi tốc độ giảm xuống còn 10km/h thì độ sâu LVBX tăng lên 900%

Hình 1.21: Ảnh hưởng của tốc độ dòng xe đến LVBX [15]

1.3.2.4 Áp lực bánh hơi

Theo [15], áp lực bánh hơi có ảnh hưởng đến LVBX nhưng mức độ ảnh hưởng không quá lớn, cụ thể khi áp lực lốp tăng từ 0,8Mpa đến 1,0Mpa chỉ làm tăng biến dạng LVBX lên 5% (xem Hình 1.22)

Hình 1.22: Ảnh hưởng của áp lực bánh hơi đến LVBX [15]

1.3.2.5 Nhiệt độ

Ngoài các nguyên nhân như vật liệu, lưu lượng xe, tốc độ dòng xe nêu trên cần phải

kể đến một yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến LVBX, đó là nhiệt độ Đối với vật liệu