Nghiên cứu các đặc trưng kháng cắt của bê tông nhựa dùng làm tầng mặt cho kết cấu áo đường ô tô TT

Trên thế giới, nhiều học giả như Bonaquist J.R, Christensen D.W đã nghiên cứu đưa ra rất nhiều phương pháp thí nghiệm để xác định khả năng kháng cắt của BTN, trong đó có các đặc trưng kh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Ngô Lâm

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BÊ TÔNG NHỰA DÙNG LÀM TẦNG MẶT

CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG Ô TÔ

Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Mã số: 9580205-2

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội – Năm 2021

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Hoàng Tùng Người hướng dẫn khoa học 2: PGS TS Bùi Phú Doanh

Phản biện 1: GS.TS Phạm Huy Khang

Phản biện 2: GS.TS Vũ Đình Phụng

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Hữu Trí

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp

trường họp tại trường Đại học Xây dựng

vào hồi giờ ngày tháng năm 2021

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc Gia và thư viện

Trường Đại học Xây dựng

Hà Nội – Thái Nguyên….thì xảy ra hiện tượng lún vệt bánh xe dạng đẩy trồi (Instability Rutting) xuất hiện sớm ngay vào mùa nóng đầu tiên (thậm chí ở Lào Cai, Ninh Bình xảy ra ngay trong vài tuần đầu tiên sau khi đưa đường vào khai thác - có thể dẫn các báo cáo của tổ chuyên gia Hội đồng nghiệm thu nhà nước

về lún vệt bánh ở đường Hà Nội – Thái Nguyên và đường Nội Bài – Lào Cai)

Ở Việt Nam, đã áp dụng phương pháp Wheel Tracking (rất hiện đại) thì kết quả vẫn chưa theo ý muốn và còn nhiều điều phải bàn luận, hoàn thiện

Trên thế giới, nhiều học giả như Bonaquist J.R, Christensen D.W đã nghiên cứu đưa ra rất nhiều phương pháp thí nghiệm để xác định khả năng kháng cắt của BTN, trong đó có

các đặc trưng kháng cắt là lực dính c và góc nội ma sát  Các đặc trưng này có đặc điểm là không thay đổi đối với mỗi loại BTN, rất phù hợp để sử dụng như một chỉ tiêu phục vụ thiết kế BTN Tuy nhiên, các phương pháp thí nghiệm đều không phù hợp và rất khó triển khai ở Việt Nam

Riêng tại Nga, đã đưa ra ngưỡng yêu cầu Cyêu cầu và yêu cầu

của BTN dùng làm tầng mặt kết cấu áo đường ô tô [78] Điều này cũng dễ hiểu vì phương pháp tính toán thiết kế kết cấu mặt đường

của CHLB Nga có yêu cầu kiểm toán điều kiện cắt trượt của tầng mặt BTN tức là kiểm toán điều kiện:

 ≤ [] = .tg + C

Với các trị số  và  tính được ở các lớp BTN tầng mặt có

thể suy ra được c và  yêu cầu vật liệu BTN phải có để đủ khả

năng chịu cắt trượt do tải trọng bánh xe thiết kế truyền xuống

Các cách sử dụng c và  là một trong chỉ tiêu yêu cầu để thiết kế hỗn hợp BTN nói trên (đặc biệt là phương pháp của CHLB Nga) là cách có cơ sở lý thuyết, trong khi cách dựa vào thí nghiệm Wheel tracking hoàn toàn dựa vào thực nghiệm – kinh nghiệm Ngoài ra, cách của CHLB Nga đòi hỏi thiết bị đơn giản,

rẻ tiền, dễ làm, tuy nhiên kích thước mẫu, cách chế bị mẫu lại khác với kích thước và cách chế bị mẫu theo phương pháp

Marshall Đây cũng là một trở ngại nếu muốn đưa chỉ tiêu c yêu cầu,

yêu cầu của CHLB Nga ứng dụng vào việc thiết kế hỗn hợp BTN

ở nước ta hiện nay

Chính vì vậy, việc lựa chọn đề tài là có đủ cơ sở khoa học và thực tiễn, nhằm tìm ra được phương pháp thí nghiệm xác định sức chống cắt của BTN trong điều kiện Việt Nam, từ đó khảo sát, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng kháng cắt này và xa hơn là xác định ngưỡng giá trị yêu cầu của chúng cho từng loại BTN

2 Mục đích nghiên cứu

Luận án được xây dựng nhằm đạt được các mục đích sau:

- Rà soát, đánh giá được thực trạng các nghiên cứu trong và ngoài nước cũng như thực tế sử dụng các đặc trưng kháng cắt trong thiết kế, chế tạo thành phần BTN làm các lớp mặt đường mềm;

- Đề xuất được phương pháp thí nghiệm xác định , c trong điều kiện Việt Nam;

- Khảo sát được , c cho một số loại BTN thông dụng tại Việt Nam và phân tích các yếu tố ảnh hưởng;

- Thử xây dựng liên hệ với các ngưỡng của Nga đối với ,

c để tìm ra ngưỡng tương tự cho một số loại BTN của Việt Nam

khi áp dụng phương pháp thí nghiệm đã đề xuất

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Nội dung của luận án được giới hạn ở phạm vi hẹp, với đối tượng là một số loại BTN hiện hành tại Việt Nam Nội dung thí nghiệm được thực hiện tại các phòng thí nghiệm LAS-XD1256

và LAS-XD1498 với hệ thống thiết bị thí nghiệm chính được chế tạo và lắp ráp tại Xưởng Kỹ thuật Cơ khí – Đại học Xây dựng Các thiết bị thí nghiệm (đề xuất) mặc dù đã được chấp nhận đơn xin cấp bằng sở hữu trí tuệ, nhưng chưa được định chuẩn theo tiêu chuẩn và quy định hiện hành Do vậy, kết quả thí nghiệm còn sai số, kết quả nghiên cứu chưa thể áp dụng ngoài thực tế

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm là phương pháp nghiên cứu chính, kết hợp với nghiên cứu lý thuyết

5 Cơ sở khoa học của đề tài

Hiện nay, trên thế giới, về cơ bản đều dựa trên lý thuyết của Mohr-Coulomb để xác định , c [12],[15],[28] Theo đó, khi vật liệu

bị phá hoại do ứng suất cắt, các thành phần ứng suất và đặc trưng kháng cắt trên mặt phá hoại quan hệ với nhau theo tiêu chuẩn cường

độ Mohr-Coulomb [15] (một số tài liệu gọi là lý thuyết về đường bao phá hoại Mohr-Coulomb):

𝜏 = 𝜎𝑡𝑔+ 𝑐 (1) Trong đó: ,  lần lượt là ứng suất cắt và ứng suất pháp trên

mặt phá hoại ở trạng thái phá hoại; , c lần lượt là góc nội ma sát và

lực dính của BTN Các đại lượng này là cố định đối với mỗi loại BTN ở một điều kiện cụ thể

Khi tạo ra một cơ cấu thiết bị cho phép tác dụng đồng thời các lực nén và cắt mẫu BTN đến trạng thái bị phá hoại (do chịu cắt), hoàn toàn có thể xác lập được phương trình (1) hoặc đường bao phá hoại Mohr-Coulomb, từ đó tìm ra được các đặc trưng kháng cắt cũng như các yếu tố ảnh hưởng và ngưỡng giá trị của chúng

Do vậy, hướng nghiên cứu của luận án có đủ căn cứ khoa học

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

Ý nghĩa khoa học: Tính đến thời điểm hiện tại, các nghiên

cứu về đặc trưng kháng cắt ở Việt Nam còn hạn chế, chưa tìm ra được ngưỡng giá trị của , c Cũng chính vì thế, chưa áp dụng

được vào thực tế thiết kế và chế tạo hỗn hợp BTN có sức kháng cắt cao Do đó, luận án sẽ là cơ sở khoa học quan trọng để hướng tới việc xây dựng một phương pháp thí nghiệm và ngưỡng giá trị cho các đặc trưng kháng cắt của BTN trong điều kiện Việt Nam

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án cho

phép tìm ra các nhân tố ảnh hưởng tới đặc trưng kháng cắt của BTN, xây dựng được ngưỡng giá trị yêu cầu về , c phục vụ cho

việc chế tạo được loại BTN có sức kháng cắt tốt hơn

7 Những đóng góp mới của luận án

Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được công bố trên một số tạp chí khoa học bao gồm: 4 bài báo trên các tạp chí chuyên ngành, 1 sản phẩm đã được đăng ký sở hữu trí tuệ (đã được chấp nhận đơn) Cụ thể:

- Tổng hợp được cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu có liên quan tới sức kháng cắt và các đặc trưng kháng cắt của BTN

- Chế bị bộ khuôn đúc mẫu và tiến hành loại thí nghiệm AST1 theo phương pháp của CHLB Nga đối với một số loại BTN

có cơ hạt trung bình, có thành phần cấp phối, có loại nhựa và hàm lượng nhựa thường sử dụng ở nước ta hiện nay để xác định ra trị

số c và  tương ứng Qua đó đánh giá được ưu nhược điểm của phương pháp thí nghiệm này, đánh giá sơ bộ các loại hỗn hợp

BTN thường dùng ở nước ta liệu có đạt được c và  yêu cầu như tiêu chuẩn GOST 9128-2013 [78] của CHLB Nga hay không

- Thiết kế chế tạo bộ thiết bị AST2 phù hợp với điều kiện

Việt Nam, cho phép xác định được các trị số c và  của các loại BTN khác nhau như khi thí nghiệm với AST1 và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới các đặc trưng kháng cắt vừa nêu

- Sơ bộ lập tương quan giữa c và  xác định bởi thiết bị

AST2 và c và  xác định theo phương pháp của CHLB Nga, làm

cơ sở để hướng tới việc xây dựng ngưỡng giá trị cho các đặc trưng kháng cắt này

8 Cấu trúc của luận án

Nội dung của luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận kiến nghị với cấu trúc như sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Về đặc trưng kháng cắt của Bê tông nhựa Chương 3: Lựa chọn phương pháp thí nghiệm xác định

các đặc trưng kháng cắt của BTN trong điều kiện Việt Nam

Chương 4: Chế tạo thiết bị thí nghiệm và áp dụng khảo sát đặc trưng kháng cắt của BTN

Kết luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

BTN hay còn gọi là bê tông asphalt là hỗn hợp vật liệu khoáng – bitum sử dụng trong xây dựng đường, được hình thành sau quá trình làm hóa cứng hỗn hợp BTN Hỗn hợp BTN bao gồm cốt liệu thô, cốt liệu mịn, bột khoáng, bitum dầu mỏ, phụ gia

Về cấp phối, theo quy luật, đường cấp phối cận dưới càng nằm dưới đường Fuller thì càng thô; ngược lại đường cấp phối cận trên càng nằm trên đường Fuller thì càng mịn QĐ858 [26] đưa ra khái niệm mới gọi là bê tông nhựa chặt (BTNC) cấp phối thô, với cấp phối được quy định theo một tỷ lệ nhất định, và tỷ lệ hạt mịn được khống chế như bảng 1.4

Bảng 1.4 Khống chế cỡ hạt mịn trong thành phần cấp phối cốt liệu BTNC để tạo ra BTNC thô [26]

Loại BTNC khống chế (mm) Cỡ sàng vuông Lượng % lọt qua cỡ sàng khống chế

BTNC 25 4,75 <40% (>50% đá dăm) BTNC 19 4,75 <45% (>50% đá dăm) BTNC 12,5 2,36 <38%

Trong kết cấu áo đường mềm, BTN thường được dùng ở tầng mặt, chịu tác dụng trực tiếp của tải trọng bánh xe và các điều kiện thời tiết khí hậu khác Do vậy, tầng mặt có nguy cơ bị hằn lún vệt bánh xe, xô dồn vật liệu…, khi BTN bị phá hoại ở trạng thái chịu cắt trượt

Ứng suất cắt trượt ở trạng thái phá hoại trong vật liệu nói chung và trong BTN nói riêng có các đặc trưng kháng cắt là góc nội ma sát  và lực dính c, liên hệ với nhau theo tiêu chuẩn cường

độ Mohr-Coulomb:

𝜏𝑓𝑓 = 𝜎𝑓𝑓𝑡+ 𝑐 (1-3) Trong đó: ff, ff lần lượt là ứng suất cắt và ứng suất pháp

trên mặt phá hoại ff Có hai kết luận quan trọng là:

- Ứng suất cắt cực đại trên mỗi mặt phẳng chưa đặc trưng cho khả năng kháng cắt của vật liệu;

- Ứng suất cắt có thể có ở mỗi trạng thái phá hoại chỉ đặc trưng cho riêng trạng thái đó, không đặc trưng cho sức kháng cắt của vật liệu

Từ hai kết luận này, kết hợp với tính bất biến của lực dính

c và góc nội ma sát  cho thấy: Khó xác định được các giá trị

của ứng suất cắt đặc trưng cho khả năng kháng cắt cho vật liệu; thay vào đó, nên xác định các đặc trưng kháng cắt là lực

dính c và góc nội ma sát 

Từ đó, nhiều nghiên cứu trên thế giới đã được thực hiện để xác định các đặc trưng kháng cắt của BTN và các yếu tố ảnh hưởng Phần lớn các nghiên cứu này đều có các điểm chung với chùm nghiên cứu của các tác giả D.W.Christensen, R Bonaquist

và D.P Jack của Viện Giao thông Pennsyvania-Hoa Kỳ [28],[29] Tại Việt Nam, một số nghiên cứu đã được thực hiện bởi các nhóm tác giả sau: nhóm tác giả trường Đại học Giao thông Vận tải (PGS.TS Trần Thị Kim Đăng và các cộng sự) [14], nhóm tác giả tại Học viện Kỹ thuật quân sự (GS.TS Phạm Cao Thăng

và các cộng sự) [8]

Kết quả thí nghiệm của các tác giả vừa nêu mới chỉ dừng

ở mức độ nghiên cứu, hoặc thiết kế BTN ở mức độ thử nghiệm, trong phạm vi hẹp, chưa phù hợp với điều kiện Việt Nam, và chưa có khả năng đi đến việc xây dựng ngưỡng giá trị cho các đặc trưng kháng cắt của BTN

Đó cũng chính là các luận điểm mà luận án này sẽ tiếp cận để nghiên cứu, giải quyết

CHƯƠNG 2: VỀ ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BTN

Về lý thuyết xác định các đặc trưng kháng cắt của vật liệu

Nội dung chương 1 đã nêu các lý thuyết tổng quan về cường độ chống cắt của vật liệu Từ đó, đối với trường hợp của BTN, các đặc trưng kháng cắt (lực dính, góc nội ma sát) và các thành phần ứng suất trên mặt phá hoại có quan hệ với nhau theo tiêu chuẩn cường độ Mohr-Coulomb:

𝜏𝑓𝑓 = 𝜎𝑓𝑓𝑡+ 𝑐 (2-1) Trong đó: ff, ff lần lượt là ứng suất cắt và ứng suất pháp trên mặt phá hoại của BTN (theo [1], ff còn được gọi là cường độ hay độ bền chống cắt); , c lần lượt là góc nội ma sát và lực dính

của BTN

Từ quan hệ này, với việc thực hiện thí nghiệm cắt BTN đến trạng thái phá hoại, có thể xây dựng được các cặp hệ phương trình hoặc lập đồ thị tương quan về cường độ Coulomb để xác định ra , c cho mỗi loại vật liệu ở điều kiện thí nghiệm cụ thể

Lý thuyết này đã và đang được áp dụng để xác định lực dính và góc nội ma sát của BTN trong nhiều nghiên cứu khác nhau

Về đặc trưng kháng cắt của một số loại bê tông nhựa

Nội dung dưới đây trình bày kết quả nghiên cứu tiêu biểu của các tác giả tại CHLB Nga, Mĩ, Trung Quốc và Brazil về đặc

trưng kháng cắt (lực dính c và góc nội ma sát )

Về mặt giá trị, các số liệu ở các nước tương đối phân tán Nếu xét riêng trường hợp nhiệt độ thí nghiệm 600C (là điều kiện phổ biến đối với các thí nghiệm BTN ở nước ta), kết quả như sau:

Ở trường hợp chung, góc nội ma sát thay đổi phổ biến từ 30,80 đến 40,50, lực dính thay đổi từ 0,25MPa đến 0,40MPa Cá biệt, hai trường hợp có góc nội ma sát thấp hơn 300, là kết quả của nghiên cứu [14] Các đặc trưng kháng cắt của BTN chịu ảnh hưởng của một số yếu tố sau:

a Ảnh hưởng của điều kiện mẫu (khô, ướt)

Ở cùng điều kiện nhiệt độ, các nghiên cứu [72] chỉ ra rằng các mẫu khô đều có lực dính lớn hơn rõ ràng so với mẫu ướt Sự chênh lệch về lực dính này rõ rệt hơn khi thí nghiệm ở nhiệt độ 450

(chênh từ 0,062MPa đến 0,127MPa); khi thí nghiệm ở nhiệt độ

600C, lực dính của mẫu khô vẫn lớn hơn mẫu ướt, nhưng mức chênh lệch không lớn (chủ yếu là khoảng 0,06MPa) Trong khi đó, góc nội ma sát không có thay đổi nhiều giữa mẫu khô và mẫu ướt

b Ảnh hưởng của nhiệt độ

Xu hướng lực dính và góc nội ma sát đạt giá trị cao nhất ở khoảng nhiệt độ (đã làm thí nghiệm) 300C (từ 280C-330C), sau đó giảm dần khi nhiệt độ thí nghiệm tăng lên Các nghiên cứu của Việt Nam [14], Singapo [73], Brazil [46] cho thấy, khi nhiệt độ thí nghiệm tăng từ mức 280C-300C lến 400C-450C thì lực dính giảm khoảng 3 lần Tốc độ giảm tăng nhanh khi nhiệt độ thí nghiệm tiệm cận các mốc từ 500C đến 600C

Góc nội ma sát cũng có xu hướng giảm, nhưng mức độ giảm không mạnh khi nhiệt độ tăng Trong một số trường hợp như nghiên cứu của Singapo, Brazil, Hàn Quốc, góc nội ma sát còn có xu hướng tăng khi nhiệt độ thí nghiệm tăng lên (ở khoảng

từ 500C-600C) Như vậy, có thể sơ bộ đánh giá là đối với các đặc trưng kháng cắt, nhiệt độ cao chủ yếu ảnh hưởng tới lực dính,

ít ảnh hưởng hơn đối với góc nội ma sát

c Ảnh hưởng của tốc độ thí nghiệm

Tốc độ gia tải của các thí nghiệm cũng có ảnh hưởng theo hướng tốc độ tăng thì giá trị lực dính thu được tăng lên Tuy nhiên, ảnh hưởng của yếu tố này lại không rõ ràng đối với góc nội ma sát

d Ảnh hưởng của cốt liệu

Theo [42],[69],[71], cốt liệu thô hơn sẽ có tác dụng làm tăng góc nội ma sát, nhưng lại làm giảm lực dính Độ rỗng dư càng nhỏ thì lực dính c càng tăng rõ rệt Trong khi đó, đối với hỗn hợp SMA, góc nội ma sát giảm khi độ rỗng dư giảm; đối với hỗn hợp DGM, góc nội ma sát đạt cực trị khi độ rỗng dư ở khoảng 8,1%-8,2%

e Ảnh hưởng của chất liên kết

Theo các nghiên cứu của Trung Quốc [42],[69],[71], khi hàm lượng nhựa dưới 5,7%, các đặc trưng kháng cắt tăng khi hàm

lượng nhựa tăng Sau đó, lực dính sẽ giảm dần, và có xu hướng giảm mạnh khi hàm lượng nhựa bắt đầu vượt qua ngưỡng 6,3% Đối với góc nội ma sát, chỉ tiêu này tiếp tục tăng khi hàm lượng nhựa tăng, và đạt cực trị khi hàm lượng nhựa bằng 6% Kể

từ mức này, nếu hàm lượng nhựa tăng thì góc nội ma sát giảm Việc lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu theo lực dính (vừa nêu

ở trên) đã được thực hiện trong [74], qua nghiên cứu của các tác giả Trung Quốc với 3 loại bê tông nhựa AC19C (Dmax=19mm, Nhựa PG 64-22); AC19M (Dmax=19mm, Nhựa PG 76-22); SMA13 (Dmax=13mm, nhựa PG 64-22) Ngoài hàm lượng thì ảnh hưởng của độ nhớt của nhựa đường tới các đặc trưng kháng cắt của BTN sử dụng phụ gia SBS đã được nghiên cứu tại [74] Khi độ nhớt tăng, lực dính của BTN tăng rõ rệt Tuy nhiên, ở khoảng độ nhớt thay đổi từ 1000Pa.s lên 100000 Pa.s, ảnh hưởng của nhựa đường tới góc nội ma sát là không rõ rệt

Nhận xét chương 2

Dưới tác dụng của tải trọng bánh xe, BTN thuộc tầng mặt chịu đồng thời lực tác dụng theo hai phương thẳng đứng và theo phương ngang Xét riêng cho từng phân tố BTN, khi tải trọng tăng, sẽ có thể xuất hiện hiện tượng phá hoại do cắt trượt Trên mặt phá hoại, theo lý thuyết đã trình bày ở chương 1 (Mohr-Coulomb), sẽ hình thành các ứng suất cắt ff và ứng suất pháp ff, quan hệ với nhau theo phương trình:

𝜏𝑓𝑓 = 𝜎𝑓𝑓𝑡+ 𝑐

Từ đó, nhiều học giả trên thế giới đã và đang đi theo hướng

nghiên cứu về các đặc trưng kháng cắt c, tg để phục vụ cho việc thiết kế được loại BTN có sức kháng cắt cao, chống được hằn lún bánh xe

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BTN

TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

Phân tích, đánh giá, lựa chọn phương pháp thí nghiệm xác định đặc trưng kháng cắt của bê tông nhựa

Kết quả phân tích 12 phương pháp thí nghiệm hiện hành trên thế giới liên quan tới đặc trưng kháng cắt của BTN đã cho phép lựa chọn ra 3 phương pháp có sự phù hợp nhất với các tiêu chí đã đề ra (phù hợp với điều kiện Việt nam, cho phép xác định được đặc trưng kháng cắt của BTN…) Phương pháp của Romanoschi có khả năng đáp ứng tốt nhất các tiêu chí đề ra Phương pháp thí nghiệm của Nga và phương pháp IDT và UCS mặc dù không thỏa mãn hoàn toàn các tiêu chí đề ra, nhưng cũng

có tính đáp ứng cao

Đề xuất lựa chọn cả ba phương pháp này để vận dụng, chế tạo thiết bị phục vụ thí nghiệm Các thí nghiệm theo phương pháp của Nga, IDT và UCS sẽ được thực hiện trước, làm cơ sở đánh giá sơ bộ các đặc trưng kháng cắt của BTN và hiệu chỉnh thiết bị theo phương pháp của Romanoschi khi chế tạo tại Việt Nam