NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CỐT LIỆU MỊN ĐẾN CƢỜNG ĐỘ KHÁNG LÚN VỆT BÁNH XE CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA CHẶT Dmax12,5 DỰ ÁN MỞ RỘNG QUỐC LỘ 1, ĐOẠN KM1027 - KM1045+780, TỈNH QUẢNG NGÃI

Đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu mịn đến cường độ kháng lún vệt bánh xe của hỗn hợp bê tông nhựa chặt Dmax12,5 dự án mở rộng Quốc lộ 1, đoạn Km1027 - Km1045+780, tỉnh Quảng Ngãi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN HỒNG HẢI Phản biện 1:TS Nguyễn Văn Châu

Phản biện 2:TS Huỳnh Phương Nam

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc

sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông họp tại Trường Đại học

Bách khoa vào ngày … tháng …… năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách

khoa

 Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông – Đại học Bách khoa

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Năm 2015, tuyến Quốc lộ 1 đoạn từ Km1027+00 đến Km1045+780 qua địa bàn tỉnh Quảng Ngãi đã được đầu tư nâng cấp bằng việc thi công tăng cường 13cm bê tông nhựa và đến tháng 4/2017 đã bàn giao đưa công trình vào khai thác để đáp ứng nhu cầu vận tải ngày càng tăng mạnh Tuy nhiên, chỉ sau một thời gian ngắn

sử dụng, một số đoạn đường đang bị lún vệt bánh xe, gây nên các ảnh hưởng nghiêm trọng đến điều kiện khai thác Đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu mịn đến cường độ kháng lún vệt bánh xe của hỗn hợp bê tông nhựa chặt Dmax12,5 dự án mở rộng Quốc lộ 1, đoạn Km1027 - Km1045+780, tỉnh Quảng Ngãi" nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu mịn trong hỗn hợp cấp phối vật liệu bê tông nhựa đến cường độ kháng lún vệt bánh xe của bê tông nhựa Thông qua các thí nghiệm đánh giá cường độ kháng vệt bánh xe trên hỗn hợp BTN sử dụng các loại cốt liệu mịn được lấy tại các mỏ khác nhau, luận văn đề xuất lựa chọn loại cốt liệu mịn và tỷ lệ sử dụng hợp lý để nâng cao cường độ kháng lún vệt bánh xe cho lớp mặt bê tông nhựa chặt Dmax12,5 của Dự án mở rộng Quốc lộ 1, đoạn từ Km1027 đến Km1045+780, tỉnh Quảng Ngãi nhằm khắc phục hiện tượng lún vệt bánh xe trên phạm vi mặt đường mở rộng của dự án

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Đánh giá chất lượng cát xay tại 3 mỏ đá sử dụng và đề xuất tỷ

lệ sử dụng hợp lý để nâng cao cường độ và khả năng kháng lún vệt bánh xe cho lớp mặt BTNC 12,5

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

a Đối tượng nghiên cứu:

Cốt liệu mịn (bao gồm cát xay, cát sông) sử dụng trong hỗn hợp cốt liệu bê tông nhựa chặt Dmax12,5

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

a Nghiên cứu lý thuyết:

- Lý thuyết về cường độ, các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bê tông nhựa; lý thuyết cấp phối tốt nhất;

- Đánh giá nguyên nhân xảy ra hiện tượng lún vệt bánh xe trên đoạn tuyến đang khai thác; đề xuất thành phần cấp phối và hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp BTN

b Nghiên cứu thực nghiệm:

Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý; độ góc cạnh; độ ổn định marshall

và cường độ kháng lún vệt bánh xe

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Luận văn nghiên cứu, đánh giá các chỉ tiêu cơ lý hỗn hợp bê tông nhựa chặt 12,5 sử dụng cát xay của 3 mỏ đá phục vụ cho Dự án,

đề xuất tỷ lệ sử dụng cốt liệu mịn hợp lý trong hỗn hợp bê tông nhựa đảm bảo yêu cầu cường độ và kháng lún vệt bánh xe

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

- Mở đầu (Mục tiêu, Đối tượng, Phạm vi nghiên cứu)

- Chương 1: Hiện tượng hằn lún vệt bánh xe và ảnh hưởng của cốt liệu mịn đến cường độ, khả năng kháng lún vệt bánh xe của bê tông nhựa

- Chương 2: Thí nghiệm đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của mẫu khoan hiện trường và của vật liệu nghiên cứu

- Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu mịn đến các chỉ tiêu cơ lý và khả năng kháng lún vệt bánh xe của bê tông nhựa C12,5

- Kết luận và Kiến nghị

CHƯƠNG 1 HIỆN TƯỢNG HẰN LÚN VỆT BÁNH XE VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIỆU MỊN ĐẾN CƯỜNG ĐỘ, KHẢ NĂNG KHÁNG

LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BÊ TÔNG NHỰA

1.1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG LÚN VỆT BÁNH XE TRONG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA

1.1.1 Khái niệm

Lún vệt bánh xe là hiện tượng bề mặt của mặt cắt ngang đường không giữ nguyên hình dạng theo thiết kế ban đầu, mặt đường bị lún tại vị trí vệt bánh xe hình thành các vệ lún theo chiều dọc của đường Lún vệt bánh xe là hiện tượng tích lũy biến dạng không hồi phục của các lớp bê tông nhựa do ảnh hưởng của nhiều nguyên nhân như: lưu lượng xe, tải trọng xe, thành phần dòng xe, điều kiện khí hậu, chất lượng của lớp kết cấu bê tông nhựa,

1.1.2 Các dạng lún vệt bánh xe

Dưới tác dụng lặp lại của tải trọng xe chạy, mặt đường bê tông nhựa (BTN) tích luỹ biến dạng dư theo thời gian, khi trị số biến dạng tích luỹ vượt quá trị số cho phép, mặt đường có thể xem bị phá hoại Biến dạng lún của mặt đường có thể chia thành 3 loại:

2 nhóm: nguyên nhân khách quan và nguyên nhân chủ quan [7]

1.1.3.1 Nhóm nguyên nhân khách quan

- Ảnh hưởng của yếu tố thời tiết, khí hậu

- Ảnh hưởng của lưu lượng và tải trọng xe chạy

1.1.3.2 Nhóm nguyên nhân chủ quan

- Tư duy áp đặt trong thiết kế kết cấu áo đường mềm

- Chất lượng nhựa đường nhập khẩu

- Chất lượng cốt liệu đầu vào

- Công tác kiểm tra, kiểm soát và giám sát chất lượng thi công

- Năng lực và kinh nghiệm Nhà thầu thi công

1.2 LÝ THUYẾT VỀ CƯỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BÊ TÔNG NHỰA

1.2.1 Nguyên lý hình thành cường độ của bê tông nhựa

Bê tông nhựa là vật liệu có tính lưu biến, đàn hồi-nhớt-dẻo Quá trình biến dạng của BTN có quan hệ chặt chẽ với thời gian tác dụng của tải trọng; trị số ứng suất phụ thuộc vào tốc độ biến dạng và trị số biến dạng

Cường độ của BTN phụ thuộc vào thành phần lực dính và góc

ma sát trong của vật liệu BTN:

- Lực ma sát: hình thành do ma sát giữa các hạt có kích thước lớn Cốt liệu càng sần sùi, sắc cạnh, kích thước lớn và đồng đều thì lực ma sát càng lớn Lực ma sát ít thay đổi theo nhiệt độ và thời gian tác dụng của tải trọng nhưng thay đổi nhiều theo hàm lượng nhựa

- Lực dính: được tạo bởi 2 yếu tố

+ Lực dính tương hỗ do sự móc vướng vào nhau của các hạt phụ thuộc vào độ lớn và độ sắc cạnh của hạt; ít thay đổi khi nhiệt độ - độ

ẩm - tốc độ biến dạng thay đổi nhưng sẽ giảm khi BTN chịu tải trọng trùng phục của xe cộ và hỗn hợp kém chặt Lực dính này phụ thuộc vào cấu trúc, độ nhớt của nhựa, nhiệt độ và tốc độ biến dạng

+ Lực dính tương hỗ do lực dính bám tác dụng tương hỗ giữa nhựa với cốt liệu và lực dính bên trong của bản thân nhựa Lực dính này phụ thuộc vào tỷ diện cốt liệu, tính chất hấp thu của cốt liệu đối với nhựa [18]

1.2.2 Khả năng kháng lún vệt bánh xe của bê tông nhựa

Sức chống cắt của BTN được xác định theo công thức Mohr - Coulomb: τ = C + σ tg

Cường độ kháng cắt τ của BTN phụ thuộc vào lực dính C, ứng

suất σ và góc nội ma sát trong đó:

+ Lực dính C phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính của nhựa đường và vữa nhựa;

+ Ứng suất σ phụ thuộc chủ yếu vào tải trọng xe, tốc độ lưu thông của dòng xe;

+Góc nội ma sát phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính của cốt liệu

Vào mùa nóng, xe tải trọng nặng và lưu lượng xe lưu thông lớn, cường độ kháng cắt trong bê tông nhựa giảm mạnh không đủ để chống lại ứng suất cắt do tải trọng bánh xe gây ra trong lớp BTN, đây

là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng phá hoại cắt trong BTN, gây nên hiện tượng lún vệt bánh xe (LVBX)

1.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BÊ TÔNG NHỰA 1.3.1 Ảnh hưởng của cốt liệu và thành phần hỗn hợp BTN

1.3.1.1 Cốt liệu

- Kích cỡ hạt lớn nhất danh định

- Độ góc cạnh cốt liệu

- Hàm lượng sét của cốt liệu

- Hàm lượng hạt dẹt của cốt liệu

- Tỷ lệ bột khoáng/nhựa đường (FB

1.3.1.2 Nhựa đường

- Độ cứng của nhựa:

- Cấp nhiệt độ cao của nhựa đường PG

- Cải thiện nhựa đường bằng phối trộn polime

1.3.2 Ảnh hưởng của lưu lượng, tốc độ dòng xe, tải trọng trục xe

1.3.2.1 Lưu lượng xe:

1.3.2.2 Tốc độ dòng xe

1.3.2.3 Tải trọng trục xe

1.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường

1.3.4 Ảnh hưởng của các yếu tố khác

1.3.4.1 Kết cấu áo đường

1.3.4.2 Chất lượng vật liệu và chất lượng thi công bê tông nhựa

1.4 ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIỆU MỊN ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG VỆT HẰN BÁNH XE CỦA BÊ TÔNG NHỰA [7]

Đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện khi nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cát xay và cát thiên nhiên trong cốt liệu mịn đến cường độ và ổn định cường độ của BTN đối với hiện tượng hằn lún vệt bánh xe

Crawford (1989) thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng hạt và hàm lượng lọt sàng 4,75mm đến các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp BTN, kết quả cho thấy 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

Từ các thí nghiệm trong phòng, Herrin và Goetz (1954) nhận thấy rằng cường độ của BTN ít liên quan đến loại cốt liệu hạt thô; ngược lại, cường độ tăng lên khi thay đổi từ cát tự nhiên sang cát nghiền trong thành phần cốt liệu hạt mịn Kallas và Griffith (1957) cũng cho rằng trong điều kiện thí nghiệm ở hàm lượng nhựa tối ưu, khi tăng độ góc cạnh của cát nghiền sẽ tăng độ ổn định Marshall và

độ ổn định Hveem; đồng thời với một công đầm nén nhất định và hàm lượng nhựa tối ưu, tăng độ góc cạnh của cốt liệu mịn cũng làm tăng độ rỗng của khung cốt liệu

Shklarsky và Livneh (1964) cho rằng khi thay cát tự nhiên bằng cát nghiền sẽ làm tăng độ ổn định Marshall, giảm biến dạng tích lũy, giảm hàm lượng nhựa, tăng độ rỗng cốt liệu và độ rỗng dư Lottman

và Goetz (1956) cho rằng sự tăng cường độ của bê tông nhựa là do độ

góc cạnh và độ ghồ ghề của cát xay

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 sẽ làm tăng sức kháng vệt hằn bánh xe của hỗn hợp bê tông nhựa

Nguyễn và cộng sự [8] thực hiện thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ cát xay trong hỗn hợp cốt liệu mịn đến các chỉ tiêu cơ

lý và cường độ Marshall của BTNC 19 Nghiên cứu đã cho thấy tăng

tỷ lệ cát xay, độ góc cạnh của hỗn hợp cốt liệu mịn và độ ổn định Marshall càng tăng Nhóm tác giả đã rút ra kết luận tỷ lệ cát xay trong hỗn hợp cốt liệu mịn nên thiết kế trong phạm vi từ 75% đến 80%

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương 1 đã trình bày các dạng hư hỏng lún vệt bánh xe và các nguyên nhân gây nên hiện tượng lún vệt bánh xe của mặt đường BTN

Để khắc phục hiện tượng LVBX, hỗn hợp BTN cần nâng cao sức chống cắt của BTN, thông qua hai yếu tố: lực dính và lực ma sát Lực ma sát của BTN phụ thuộc vào đặc trưng cốt liệu và thành phần cấp phối hỗn hợp

Trên cơ sở phân tích các nguyên nhân và yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng BTN và khả năng kháng LVBX trong mặt đường BTN, luận văn sẽ tập trung nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng của việc lựa chọn cốt liệu mịn và tỷ lệ thành phần cát xay trong thành phần hỗn hợp cốt liệu mịn đến khả năng kháng HLVBX của BTN rải nóng Làm cơ sở triển khai ứng dụng cho BTN C12,5 làm lớp mặt cho dự án cải tạo Quốc lộ 1 đoạn từ Km1027 đến Km1045+780 qua địa bàn tỉnh Quảng Ngãi nhằm khắc phục hiện tượng lún vệt bánh xe trên phạm vi mặt đường mở rộng của dự án

CHƯƠNG 2 THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA MẪU KHOAN HIỆN TRƯỜNG VÀ CỦA VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 2.1 KHÁI QUÁT VỀ DỰ ÁN MỞ RỘNG QUỐC LỘ 1, ĐOẠN KM1027 - KM1045+780, TỈNH QUẢNG NGÃI

2.1.1 Tổng quan về tuyến Quốc lộ 1

Quốc lộ 1 là đường giao thông xuyên suốt Việt Nam đi qua 31 tỉnh thành, bắt đầu từ (Km0) tại cửa khẩu Hữu Nghị Quan trên biên giới giữa Việt Nam và Trung Quốc và kết thúc tại điểm cuối (Km2301+340) tại thị trấn Năm Căn, huyện Ngọc Hiển, tỉnh Cà Mau Từ những năm 1993 bằng các nguồn vốn ODA, Quốc lộ 1 đã được nâng cấp theo tiêu chuẩn đường cấp III, quy mô 2 làn xe trên toàn tuyến; Giai đoạn từ năm 2003 đến nay, từ nguồn vốn trái phiếu chính phủ và các dự án BOT, một số đoạn có lưu lượng lớn đã được

mở rộng lên 4 làn xe (với chiều dài khoảng 476 Km) và xây dựng 18 tuyến tránh qua các khu đô thị (với chiều dài khoảng 164 Km)

2.1.2 Dự án mở rộng Quốc lộ 1 đoạn Km1027 - Km1045+780, tỉnh Quảng Ngãi

Năm 2013, tuyến Quốc lộ 1 đoạn Km1027 - Km1045+780 đã được đầu tư tăng cường mặt đường, giữ nguyên qui mô đường cấp III đồng bằng, bề rộng nền đường 12,0m, mặt đường rộng 11,0m Đến năm 2016, với nguồn vốn Trái phiếu Chính phủ còn dư của các dự án cải tạo, nâng cấp Quốc lộ 1A và đường Hồ Chí Minh đoạn qua Tây Nguyên, Bộ GTVT đã tiếp tục đầu tư xây dựng mở rộng Quốc lộ 1 đoạn Km1027 - Km1045+780, tỉnh Quảng Ngãi

2.2 KHẢO SÁT CÁC HƯ HỎNG VỀ HẰN LÚN VỆT BÁNH XE TRÊN QUỐC LỘ 1 ĐOẠN KM1027-KM1045+780 2.2.1 Lựa chọn vị trí đánh giá

Qua khảo sát hiện trường, trên tuyến Quốc lộ 1, đoạn Km1045+780 có hiện tượng hằn lún vệt bánh xe xuất hiện tại nhiều đoạn lý trình với nhiều mức độ nặng, nhẹ khác nhau Trong đó, hằn

Km1027-lún vệt bánh xe xuất hiện rõ và gây nhiều ảnh hưởng đến việc lưu thông của các phương tiện, cụ thể tại các đoạn lý trình: từ Km1030+400 đến Km1030+550 (trái tuyến); từ Km1040+280 đến Km1042+350 (trái tuyến) và từ Km1040+600 đến Km1040+700 (trái tuyến)

2.3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA CÁC MẪU KHOAN HIỆN TRƯỜNG

2.3.1 Thí nghiệm hàm lượng nhựa

Hình 2.7 Kết quả thí nghiệm hàm lượng nhựa của 06 mẫu khoan

Nhận xét: Kết quả thí nghiệm hàm lượng nhựa cho thấy hàm

lượng nhựa của các mẫu khoan nằm trong giá trị từ 4,72-4,96%; So sánh với TCVN8860:2011[3] và QĐ 858/QĐ-BGTVT [5] cho thấy hàm lượng nhựa của các mẫu đều đạt yêu cầu Trong các mẫu khoan, hàm lượng nhựa của mẫu khoan số 04 nhỏ nhất

2.3.2 Thí nghiệm độ ổn định Marshall

Hình 2.8 Kết quả thí nghiệm độ ổn định Marshall của 06 mẫu khoan

Nhận xét: Kết quả thí nghiệm độ ổn định Marshall cho thấy độ

ổn định của các mẫu khoan nằm trong giá trị từ 10,9-14,6 KN; So sánh với TCVN8860:2011[3] và QĐ 858/QĐ-BGTVT [5] cho thấy

độ ổn định của các mẫu đều đạt yêu cầu Trong các mẫu khoan, độ ổn định Marshall của mẫu khoan số 04 tốt nhất

2.3.3 Thí nghiệm độ dẻo

Hình 2.9 Kết quả thí nghiệm xác định độ dẻo của 06 mẫu khoan

Nhận xét: Kết quả thí nghiệm độ dẻo cho thấy độ dẻo của các

mẫu khoan nằm trong giá trị từ 2,9-3,7mm; So sánh với TCVN8860:2011[3] và QĐ 858/QĐ-BGTVT [5] cho thấy độ dẻo của các mẫu 01, 02, 03, 04 và 06 đạt yêu cầu Riêng độ dẻo mẫu khoan 05 không đạt yêu cầu

2.3.4 Thí nghiệm thành phần cấp phối

Hình 2.10 Biểu đồ cấp phối của 06 mẫu khoan

Nhận xét: Kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối các mẫu

khoan cho thấy thành phần cấp phối của 03 mẫu khoan tại các vị trí

bị hằn lún vệt bánh xe không đạt yêu cầu do thành phần cốt liệu mịn vượt khỏi giới hạn trên theo quy định, đường cong cấp phối vật liệu các mẫu khoan có xu hướng lệch về phía cận trên Ngược lại hành phần cấp phối của 03 mẫu khoan tại các vị trí không bị hằn lún đạt yêu cầu, đường cong cấp phối vật liệu các mẫu khoan có xu hướng lệch về phía cận dưới, trong đó mẫu khoan số 04 lệch nhiều về phía cận dưới nhất

- Mẫu khoan số 04 có độ ổn định cao, đường cong cấp phối có

xu hướng lệch về cận dưới, phù hợp với các khuyến cáo để nâng cao khả năng kháng LVBX Do vậy, đề tài đề xuất sử dụng cấp phối có đường cong tương tự mẫu 04, để thiết kế cho hỗn hợp BTNC 12,5 như Hình 2.11 Cấp phối có dạng đường cong chữ S, trong đó phần

đá dăm có cỡ hạt lớn hơn 4,75mm nằm trên đường trung vị theo Quyết định 858/QĐ-BGTVT, phần hạt nhỏ hơn cỡ sàng 4,75mm nằm dưới đường trung vị theo Quyết định 858/QĐ-BGTVT

Hình 2.11 Đường cong cấp phối hỗn hợp lựa chọn nghiên cứu

2.4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 2.4.1 Cốt liệu lớn (Đá dăm)